The negative fixed charge of atomic layer deposited aluminium oxide—a two-dimensional SiO2/AlO x interface effect

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作者
Daniel Hiller,David Tröger,Matthias Grube,Dirk König,Thomas Mikolajick
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
卷期号:54 (27): 275304-275304 被引量:29
标识
DOI:10.1088/1361-6463/abf675
摘要

Abstract The origin of the commonly observed negative fixed charge density ( Q fix ) in atomic layer deposited (ALD-)aluminium oxide is still a matter of debate despite its widespread applications in (opto-)electronics, particularly in silicon photovoltaics. Q fix plays a crucial role for excellent Si surface passivation, which is mandatory for high efficiency solar cells. Often, Q fix is believed to originate from structural or compositional specifics of the first few nanometres of ALD-AlO x adjacent to the Si-interface. Here, we demonstrate that the negative Q fix is solely an interfacial effect of ALD-AlO x and the SiO 2 ultra-thin film that grows inevitably during ALD on Si. Furthermore, it is proven that a second Q fix -layer exists at the upper AlO x /SiO 2 interface of SiO 2 /AlO x /SiO 2 -stacks, which can carry up to a quarter of the total Q fix . We show that both SiO 2 /AlO x interfaces can be separated by a charge-lean material such as HfO 2 (rather than AlO x ) without significant impact on the measured Q fix . This renders the location of Q fix exactly at the two-dimensional interface of SiO 2 and AlO x , rather than in the near-interfacial AlO x volume. The origin of Q fix is discussed in detail. The possibility to obtain very high charge densities of around −5 × 10 12 cm −2 by sub-nm thick ALD-AlO x enables advanced applications such as passivating hole-selective contacts for Si solar cells or nanoelectronic Si-doping strategies via Al-induced SiO 2 modulation doping.
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