원자층 증착 방식에 따른 금속산화물 박막의 계면 특성 분석 및 반도체 소자 응용 = Comparative Analysis of Interfacial Properties in Metal Oxide Thin Films via Atomic Layer Deposition for Semiconductor Device Applications

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Conventional doping processes involve high energy consumption from high-temperature
treatment, device defects from dopant implantation (such as Shockley-Read-Hall
recombination), and additional cleaning steps to remove residual dopants and native oxides,
leading to environmental concerns.
Dopant-free solar cells address these issues by forming carrier-selective collection layers
through metal oxide thin films that create an inversion layer via fixed charges, achieving
performance equivalent to conventional doping. The key requirements are high fixed charge
density and stable interfaces. Atomic Layer Deposition (ALD) offers superior characteristics
compared to conventional deposition methods due to its high uniformity and stable
interfacial properties.
This study optimized critical parameters of Thermal ALD and Plasma Enhanced ALD(PE-ALD) processes and comparatively analyzed their effects on solar cell efficiency. The
interfacial characteristics and performance enhancement mechanisms were elucidated
through correlation analysis of effective minority carrier lifetime, fixed charge density, and
interface trap density.

국문 초록 (Abstract)

최근 전 세계적으로 에너지 수요가 급증함에 따라 신재생에너지의 중요성이 증대되고 있다.
특히 태양에너지는 지속 가능한 에너지원로 주목받고 있으며, 이를 전기에너지로 변환할 수있는 태양전지의 수요도 증가하는 추세이다. 그러나 기존 태양전지 제조 공정에서 사용되는 도핑공정은 고온의 열처리로 인한 높은 에너지 소비가 수반되며, 도펀트 주입에 의한 소자 결함(Shockley-Read-Hall 재결합 등)이 발생할 수 있고, 웨이퍼 표면의 잔류 도펀트 및 자연 산화막 제거를 위한 추가 세정 공정이 필요하다. 이로 인해 도핑 공정은 환경오염을 포함한 다양한문제점을 내포하고 있다.
이러한 문제점을 극복할 수 있는 비도핑 태양전지는 금속산화물 박막 증착을 통해 내부고정 전하를 이용한 역전층(Inversion layer)을 형성함으로써 캐리어 선택적 수집층을 구현하여,
기존 도핑 공정과 동등한 효과를 확보할 수 있다. 이 기술은 높은 고정 전하 밀도 확보와 안정적인 계면 형성이 필수적인데, 이 관점에서 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)는높은 증착 균일성과 안정적인 계면 특성을 제공하기 때문에 기존 물리적, 화학적 증착법에비해 우수한 특성을 보인다.
본 논문에서는 열적 원자층 증착(Thermal ALD)과 플라즈마 원자층 증착(Plasma Enhanced
ALD) 공정의 주요 변수를 최적화하고, 각 방식으로 형성된 금속산화물이 태양전지의 효율에미치는 영향을 비교 분석하였다. 또한 유효 소수 캐리어 수명과 고정전하 밀도, 계면결함 밀도등의 상관관계를 통해 증착 방식에 따른 계면특성 변화와 성능 향상 메커니즘을 규명하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 Crystalline Silicon Solar Cell 4
• 1.1.1 Principles of Solar Cell Mechanism 5
• 1.1.2 Doping Process 7
• 1.1.3 Dopant-Free Solar Cell 9
• 1.2 Metal Oxide Passivation 10
• 1.2.1 Recombination 10
• 1.2.2 Surface Passivation 12
• 1.2.3 Si/Al2O3 Interface Properties 14
• 1.3 Atomic Layer Deposition, ALD 15
• 1.3.1 Principles of ALD Mechanism 15
• 1.3.2 Comparison of Thermal & Plasma Enhanced ALD 19
• Ⅱ. Experiment 21
• 2.1 Sample Preparation & Metal Oxide Film Deposition 21
• 2.1.1 Wafer Cleaning & Linsing 21
• 2.1.2 Deposition Process Step 23
• 2.1.3 Forming Gas Annealing 25
• 2.2 Device Fabrication & Property Analysis 26
• 2.2.1 Effective Minority Carrier Lifetime Analysis Sample 26
• 2.2.2 Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Capacitor 29
• 2.2.3 Dopant-Free Solar Cell 31
• Ⅲ. Results & Discussion 34
• 3.1 Film Growth & Optical Property 34
• 3.2 Electrical Property 37
• 3.3 Chemical Property 45
• 3.4 Device Performance 49
• Ⅳ. Conclusion 54
• 참고문헌 55
• Abstract 62