CC BY
39
Клиновицкая И.А.
Магистрант, кафедра «Техническая физика», Восточно-Казахстанский Государственный Технический Университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ГЕТТЕРИРОВАНИЯ ДИФФУЗИЕЙ ФОСФОРА МЕТОДОМ LYDOP В МУЛЬТИКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ
КРЕМНИИ
Аннотация
В статье исследуется эффект геттерирования металлических примесей методом диффузии фосфора. Доказано улучшение времени жизни свободных носителей заряда кремниевых пластин, что приводит к увеличению эффективности готовых фотоэлементов.
Ключевые слова: кремний, диффузия, время жизни, геттерирование Keywords: silicon, diffusion, lifetime, gettering
Геттерирование металлических примесей методом диффузии фосфора является хорошо известным методом для улучшения времени жизни свободных носителей заряда кремниевых пластин, особенно относительно загрязненного сырья, такого как мультикристаллический кремний [1, 18211824; 2, 2974; 3, 1017-1019]. Одновременное гетерирование примесей при создании p/n перехода вносит весомый вклад в увеличение эффективности (КПД) фотоэлементов.
Для исследования были использованы мультикристаллические пластины толщиной 180-200 мкм и удельным сопротивлением 1-1,2 П*см, текстурированные с обеих сторон раствором HCl/HNO3. Затем был сформирован эмиттер посредством POCl3 диффузии при высокой температуре теплового процесса 835°C / 25 мин при пониженном давлении. Поверхность была пассивирована пленками SiNx с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Время жизни носителей заряда измерялось методом квази-стационарной фотопроводимости с
помощью прибора Sinton WCT-120 — Offline Wafer Lifetime Measurement и измерительной системы Semilab WT-2000 методом p-PCD (распад фотопроводимости в микроволновом диапазоне).
4 группы пластин были исследованы до процесса и после процесса. Построены картографии времени жизни неосновных носителей заряда и проведено измерение времени жизни.
В ходе эксперимента были определены оптимальные параметры процесса диффузии. Затем пластины были обработаны в растворе кислот для удаления фосфорсиликатного стекла и созданного эмиттера. Повторно был проведен процесс диффузии при выбранных параметрах. Как известно, поверхностная рекомбинация может сильно влиять и на ток короткого замыкания и на напряжение холостого хода, что непосредственно влияет на коэффициент полезного действия фотоэлемента. Особенно пагубное влияние поверхностная рекомбинация оказывает на ток короткого замыкания, так как лицевая поверхность так же является и область с наибольшей генерацией носителей в солнечном элементе (СЭ). Снижение высокой поверхностной рекомбинации обычно достигается за счет уменьшения числа оборванных связей на поверхности путем ее пассивации (например, диоксидом кремния). Таким образом, для показательного измерения времени жизни носителей заряда, исключен эффект поверхностной рекомбинации путем нанесения пленок нитрида кремния с помощью плазменного химического осаждения (PECVD). Структура эксперимента для исследования эффекта геттерирования представлена на схеме 1.
Схема 2 показывает структуру мультикристаллических пластин, используемых в процессе данного исследования.
Wafex Ш as-received
р-И l me)
a)
Пластины а) - пластины, как получены; b) - пластины с нанесенным с двух сторон антиотражающим покрытием (уменьшение числа оборванных связей на поверхности путем ее пассивации); с) - с созданным эмиттером с двух сторон.
Схема 1 - Блок-схема процесса диффузии (1ая диффузия фосфора / геттерирование) и (2ая диффузия фосфора / геттерирование)
Как упоминалось выше, в ходе эксперимента для создания эмиттера и исследования эффекта геттерирования использовалась дуффузионная печь Semco Engineering (Lydop). На начальном этапе исследования был проведен подбор оптимальных параметров процесса диффузии и составлен рецепт.
Как известно, процесс диффузии зависит от различных параметров, из которых температура и газовая среда являются наиболее важными [4, 421]. В
кислородной среде при температуре 850°С коэффициент диффузии (D) достигает значения примерно D~0.0013^m /ч. Диффузия фосфора приводит к образованию на поверхности пластины эмиттера n-типа. Диффузия фосфора проводится в два этапа: предварительное осаждение (pre-deposition) и диффундирование (drive-in) [5, 9; 6, 23; 7,95-100]. На этапе предварительного осаждения, жидкий POCl3 барботируется газообразным N2, испаряется и оседает на поверхности пластин. В присутствии кислорода формируется фосфорсиликатное стекло при температуре 850°С, из которого, как известно, фосфор диффундирует внутрь кремниевой пластины.
В ходе эксперимента были проведены следующие процессы:
1. Изменение соотношения газов-носителей O2 и N2. Название рецептов и количество газов представлено в таблице 1.
Таблица 1 - Соотношение газов-носителей (4 процесса)
R4 R3
N2 carrier 1200 sccm N2 carrier 1500 sccm
O2 dilute 150 sccm O2 dilute 250 sccm
O2 mix 150 sccm O2 mix 250 sccm
R5 R4DI
N2 carrier 1000 sccm N2 carrier 1700 sccm
O2 dilute 100 sccm O2 dilute 300 sccm
O2 mix 100 sccm O2 mix 300 sccm
При изменении соотношения газов, изменяется концентрация фосфора, при которой происходит легирование и создание p-n перехода. С помощью прибора WT-2000 PVN было проведено измерение времени жизни и получена следующая зависимость (рисунок 2 а). Таким образом, наилучшее соотношение газов R4DI (N2 carrier = 1700sccm; O2 d;lute = 300sccm и O2 mix = 300sccm).
2. Изменение температуры этапа диффундирования (drive-in) фосфора из ближайших к поверхности слоев к середине. Изменение данного параметра позволяет управлять поверхностным сопротивлением и удельным
сопротивлением создаваемого эмиттера. Были проведены процессы при температуре 860°С, 855°С, 850°С, 845°С, 840°С и 835 °С. Для характеризации был выбран прибор измерения поверхностного сопротивления 4-точечным методом CMT SR2000N. Была получена представленная ниже зависимость (рисунок 2 б). Таким образом, выбрана оптимальная температура диффузии, при которой получили наилучшее поверхностное сопротивление.
а) б)
Рисунок 2 - а) - зависимость времени жизни носителей заряда от
соотношения газов б)- зависимость поверхностного сопротивления от температуры этапа диффундирования (drive-in) Представленная ниже диаграмма 1 измеренных значений времени жизни носителей заряда до процесса диффузии, после процесса диффузии, после удаления паразитного эмиттера показывает динамику изменения данного параметра.
Как видно на данной диаграмме, после проведения процесса диффузии и удаления паразитного эмиттера, время жизни носителей заряда возросло на всех группах пластин. Воздействие преципитатов оксида кремния на дислокации приводит к тому, что последние начинают притягивать к себе примеси тяжёлых металлов, освобождая, таким образом, поверхность от примесей. При удалении паразитного эмиттера происходит удаление слоя фосфорсиликатного стекла, содержащего примеси, которые пагубно влияют на время жизни носителей заряда. В результате время жизни возрастает.
Увеличение данных параметров приводит к повышению эффективности
солнечного элемента.
Диаграмма 1 - Время жизни неосновных носителей заряда до процесса диффузии, с созданным эмиттером, после удаления фосфорсиликатного
стекла
Таким образом, в ходе эксперимента был доказан эффект генерирования при проведении процесса диффузии методом Lydop. Электрические параметры полученных солнечных элементов выше, чем у солнечных элементов, произведенных из того же материала:
Voc, V FF, % Isc, A Pmpp, W Rsh, Ohm Rs, Ohm Average
>15.8 >15.8 >15.8 >15.8 >15.8 >15.8 Efficiency
0,612 77,503 8,344 3,96 214,189 0,00388 16,135
0,612 77,696 8,399 3,966 205,546 0,00364 16,148
Список литературы
1. A. Goetzberger and W. Shockley, J. Appl. Phys. 31,1960, pp. 1821-1824.
2. J.S. Kang and D.K. Schroeder, J. Appl. Phys. 65, 1989, p. 2974.
3. A. Cuevas, M. Stocks, S. Armand, M. Stuckings, A.Blakers and F. Ferrazza, Appl. Phys. Lett. 70, 1997, pp. 1017-1019.
4. Masetti, G., Solmi, S., & Soncini, G. (1973). On Phosphorus Diffusion in Silicon under Oxidizing Atmospheres. Solid-State Electronics, 16, 419, 421.
5. Kumar, D., Saravanan, S., & Suratkar, P. (2012). Effect of Oxygen Ambient During Phosphorous Diffusion on Silicon Solar Cell. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 4, 033105-033105(8).
6. Uchida, H., Ieki, Y., Ichimura, M., & Arai, E. (2000). Retarded Diffusion of Phosphorus in Silicon-on-Insulator Structures. Japanese Journal of Applied Physics, 39, L137- L140.
7. Popadic, M., Nanver, L. K., & Scholtes, T. L. M. (2007). Ultra-Shallow Dopant Diffusion from Pre-Deposited RPCVD Monolayers of Arsenic and Phosphorus. 15th International Conference on Advanced Thermal Processing of emiconductors, 95-100, 2-5 Oct.
