ВЛИЯНИЕ ГЕТТЕРИРОВАНИЯ РАСПЛАВА НА РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЯ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Соколов Евгений Борисович; Рыгалин Борис Николаевич; Прокофьева Виолетта Константиновна; Яремчук Александр Федотович

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 546.28: 621.383. 56

Влияние геттерирования расплава на рекомбинационные характеристики кремния для фотоэлектрических преобразователей

Е.Б. Соколов, Б.Н. Рыгалин, В.К. Прокофьева, А.Ф. Яремчук Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Световая деградация времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ) ограничивает КПД солнечных элементов, изготовленных из кремния, полученного методом Чохральского и содержащего (5-10)-1017 см-3 кислорода [1]. Исходные значения КПД солнечных элементов могут существенно превосходить 22%, но в процессе световой деградации они снижаются до уровня < 20%. Это относится к солнечным элементам, предназначенным для работы в условиях интенсивных световых потоков (панели солнечных элементов с концентраторами потока солнечного света).

Эксперименты, проведенные с использованием высокочистых подложек кремния с большим содержанием атомов кислорода, показывают существенный спад времени жизни ННЗ в процессе светового облучения. Установлено, что темп спада времени жизни ННЗ обратно пропорционален удельному сопротивлению образцов и концентрации кислорода в образце в степени, близкой к 2. В дальнейшем с применением метода нестационарной спектроскопии глубоких уровней определено, что наиболее вероятным рекомбинационным центром, ответственным за деградацию солнечных элементов, является комплекс донорного характера бор - кислород (Bx - Ог) [2]. Энергетический уровень такого комплекса в запрещенной зоне кремния равен Ec~0,4 эВ, и отношение сечений захвата электронов и дырок близко к 10. Следовательно, при использовании кремния для повышения КПД фотоэлектрических приборов основная задача - снижение содержания кислорода, образующего комплексы с атомами основы и легирующей примеси [3].

Кремний с минимальным содержанием кислорода может быть получен методом бестигельной зонной плавки. Однако использование этого метода экономически не оправдано и не позволяет получать слитки большого диаметра (более 150 мм).

Для уменьшения концентрации кислорода в кремнии существуют две группы методов. Первая группа - методы, основанные на управлении концентрацией кислорода посредством различных технологических операций. Вторую группу составляют методы связывания атомов кислорода в нейтральные комплексы за счет введения дополнительной примеси, обладающей большим химическим сродством по отношению к кислороду, чем кремний и легирующая примесь [4].

Снизить концентрацию кислорода и образуемых им комплексов можно, используя технологию геттерирования расплава. При получении кремниевых монокристаллов ^-типа проводимости в качестве геттерирующей примеси может быть использован алюминий. Алюминий в кремнии является простым акцептором и образует диаграмму состояния эвтектического типа [5], следовательно, может быть использован как легирующий элемент. Максимальная растворимость алюминия в кремнии при комнатной температуре составляет не менее 4-1019 см-3, коэффициент распределения равен (3-1)-10-3. Кроме того, алюминий обладает наибольшим сродством к кислороду по сравнению с кремнием и элементами 1ГО подгруппы Периодической системы Д.И.Менделеева.

Для эксперимента монокристалл кремния диаметром 150 мм выращивался со скоростью 1,22 мм/мин при скорости перемещения тигля 0,22 мм/мин. Загрузка кремния составляла 50 кг, алюминий чистотой 99,9999% добавлялся перед началом плавления в количестве 12 г.

Навеска алюминия рассчитывалась исходя из того, что геттер должен связать кислород, присутствующий в расплаве, в комплекс А1-0 и создать необходимое удельное сопротивление монокристалла (менее 1 Ом-см).

Экспериментальное определение основных параметров монокристалла кремния (типа проводимости, удельного сопротивления, времени жизни ННЗ и содержания кислорода), выращенного из расплава с добавлением алюминия, проводилось по длине слитка на специально подготовленных шайбах - в начале, середине и в конце монокристалла.

Для определения типа проводимости использовался метод термозонда. Удельное электрическое сопротивление контролировалось четырехзондовым методом. Время жизни ННЗ определялось бесконтактным методом по спаду фотопроводимости. Толщина образцов гарантировала измерение объемного времени жизни. Определение содержания оптически активного кислорода в монокристаллах проводилось методом ИК-спектроскопии с помощью спектрометра ФСМ-1201.

Результаты исследования приведены на рис. 1 и 2.

Г()2 10|7, см"3

Рис.1. Распределение оптически активного кислорода Рис.2. Распределение времени жизни по длине

по длине монокристалла: 1 - Si <B>; 2 - Si <B> <Al> монокристалла: 1 - Si <B> <Al>; 2 - Si <B>

Монокристаллы кремния, легированные бором (акцептор) и алюминием (акцептор + геттер), обладают преимуществом по сравнению с выращенными со стандартным легированием (акцептором) - снижается концентрация кислорода в кристалле, что приводит к улучшению электрофизических свойств кремния р-типа проводимости.

Полученные экспериментальные данные о поведении примеси алюминия и кислорода в монокристаллическом кремнии свидетельствуют о том, что целесообразно использовать алюминий для управления концентрацией кислорода в бездислокационных монокристаллах.

Исследование эффекта первичной солнечной деградации в полученных солнечных элементах под действием интенсивного светового излучения (~1000 Вт/м ) в течение 6 ч непрерывной засветки показало изменение их КПД не более чем на 1-3% относительно исходного значения. В то же время контрольные образцы, легированные только бором, в процессе аналогичных испытаний показали уменьшение КПД на 10-15%.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России на оборудовании ЦКП <МСТ и ЭКБ» на базе Национального исследовательского университета <МИЭТ».

Литература

1. Schmidt J., Macdonald D.. Recombination activity of iron-gallium and iron indium pairs // J. Appl. Phys. - 2005. -Vol. 97. - P. 1-9.

2. Mechanisms of light-induced degradation in c-Si solar cell / J.t Schmid, K. Bothe, D. Macdonald et al. // 4th Int. Symp. on Adv. Science and Technology of silicon material (Nov. 22-26, 2004, Kona, Hawaii, USA). - 2004. - P. 172.

3. Рыгалин Б.Н., Прокофьева В.К., Лысенко Л.Н., Епимахов И.Д. Улучшение качества кремния // Приборостроение и радиоэлектроника. - 2001. - № 2. - С. 29-33.

4. Рыгалин Б.Н., Соколов Е.Б., Прокофьева В.К. Геттерирующие примеси в монокристаллах кремния для СБИС // Изв. вузов. Электроника. - 2000. -№ 4-5. - С. 71-74.

5. ГлазовВ.М., ЗемсковВ.С. Физико-химические основы легирования полупроводников. - М.: Наука, 1967. - 124 с.

6. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Т.4. Ч.1.: Справочник / В.П. Глушко, Л.В. Гурвич, И.В. Вейц и др. - М.: Наука, 1982.

Поступило 22 августа 2012 г.

Соколов Евгений Борисович - доктор технических наук, профессор-консультант кафедры материалов и процессов твердотельной электроники (МПТЭ) МИЭТ. Область научных интересов: технология и оборудование полупроводниковых материалов и приборов электронной техники.

Рыгалин Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор, директор НИИ электронной техники МИЭТ. Область научных интересов: физика и технология полупроводников и материалов электронной техники.

Прокофьева Виолетта Константиновна - кандидат химических наук, доцент кафедры МПТЭ МИЭТ. Область научных интересов: физическая химия легирования полупроводников, рост монокристаллов полупроводников. E-mail: prokofeva_v@mail.ru

Яремчук Александр Федотович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры МПТЭ МИЭТ. Область научных интересов: физико-математическое моделирование полупроводниковых приборов, методы определения основных физических параметров структур.

УДК 530.145 + 620.3

Влияние материала зонда на локальное анодное окисление подложек

В.А. Кондрашов, В.К. Неволин

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Локальное анодное окисление подложки может происходить в атмосфере воздуха, когда зонд в туннельном или атомно-силовом микроскопе подводится настолько близко к подложке, что между ними образуется сплошная пленка адсорбата воздуха. Пленка состоит преимущественно из молекул воды [1]. Наименее изучены вопросы влияния материала зонда на процессы локального анодного напряжения, в частности зависимость порогового напряжения окисления от материала зонда.

Рассмотрим реакцию анодного окисления титановой пленки:

ТЮ2 + 4И++ 4е -И-2И20 = 0. (1)

На зонде-катоде выделяется водород в результате рекомбинации ионов водорода с электронами зонда. Это происходит после того, как электроны в результате туннелирования покидают катод. В связи с этим у катода образуется скачок потенциала, и большая часть приложенного напряжения между электродами падает у катода. При локальном температурном равновесии на катоде по закону действующих масс [2] имеем из (1) уравнение для химических потенциалов:

^ТЮ2 + И + + е - Т - НО = 0 . (2)

Это, по существу, закон сохранения энергии, записанный через химические потенциалы компонентов, участвующих в реакции. В реакции имеется один газообразный продукт ионов водорода, химический потенциал которого в соответствии с [2] можно записать в виде

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ ГЕТТЕРИРОВАНИЯ РАСПЛАВА НА РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЯ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ»