CC BY
11
УДК 621.315.592
О. К. Головко ВПЛИВ ДОМІШОК НА ЧАС ЖИТТЯ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В МОНОКРИСТАЛАХ КРЕМНІЮ
У статті на підставі експериментальних досліджень установлено, що на час життя не-рівноважних носіїв заряду в монокристалах кремнію, вирощених у промислових умовах, найбільше впливає співвідношення концентрацій домішок кисню й вуглецю Ключові слова: кремній, кисень, вуглець, час життя
1. Вступ
Дослідження, про які йдеться у доповіді, відносяться до галузі фізики напівпровідників та технології напівпровідникових матеріалів.
Виробництво в Україні монокристалів кремнію, призначених для сонячної енергетики, передбачає вирішення низки завдань, пов’язаних з пошуком оптимальних технологічних режимів їх вирощування, які забезпечують задані рівні часу життя нерівноважних носіїв заряду в монокристалах кремнію. Вирішення цих завдань дає можливість підвищити якість монокристалів кремнію для сонячної енергетики та забезпечити конкурентоспроможність цього продукту високих технологій на світовому ринку.
Тому дослідження, про які йдеться в доповіді, є актуальними.
2. Постановка проблеми
Типова вимога до величини часу життя не-рівноважних носіїв заряду тннз в монокристаліч-ному кремнії, призначеному для виготовлення фотовольтаїчних елементів (сонячних батарей) є досить м’якими - тннз ^ 10 мкс [1]. Проблемою є те, що зважаючи на підвищений вміст домішок в монокристалах кремнію «сонячної» якості, навіть такі м’які вимоги до тнш виконати не легко.
3. Основна частина
3.1. Аналіз літературних джерел по темі дослідження
Величина часу життя нерівноважних носіїв заряду є інтегрованим показником кількості некон-трольованих забруднюючих домішок та комплексів, що слугують пастками для носіїв заряду. Монокристали кремнію для сонячних елементів вирощують за методом Чохральського. З метою зниження собівартості монокристалів кремнію, призначених для виготовлення сонячних елементів, для їх ви-
рощування використовується дешевша сировина - менш чистий полікристалічний кремній [2-7]. Домішки потрапляють в монокристал з розплаву кремнію. Специфікою методу Чохральського є додаткове надходження в розплав кремнію в процесі його вирощування кисню та вуглецю. В кристалічній решітці кремнію безпосередньо атоми цих двох домішок є електронейтральними. Проте вони опосередковано, через активну участь у комплексоутворенні, впливають на величину Хн.н.з.. Вважається [1], що домішка кисню сприяє досягненню в монокристалі кремнію високих значень Хн.н.з., а вуглецю - зменшенню Хн.н.з., тобто ці дві домішки протилежно впливають на величину тннз. Тому вважаємо за доцільне простежити вплив на тннз співвідношення концентрацій цих двох ком-плексоутворюючих домішок
3.2. Результати досліджень
Досліджені монокристали кремнію, леговані бором, що були вирощені за методом Чохральського в промислових умовах в установці типу «Редмет - 30» з використанням енергозбережуючого теплового вузла [8] в атмосфері аргону. Кристалографічна орієнтація монокристалів - <100>, діаметр - 135,0 мм. Концентрацію оптично активних атомів кисню та вуглецю в монокристалі кремнію вимірювали стандартним методом поглинання інфрачервоного випромінювання. Величину часу життя нерівноважних носіїв заряду тннз в монокристалі кремнію вимірювали стандартним індикаторним методом [9].
У рамках попередніх досліджень [10] було показано, що концентрації основних домішок в розплаві кремнію змінюються на протязі спрямованої кристалізації, яка відбувається в методі Чохральського. Тому порівняно з початковою частиною монокристала в його кінцевій частині концентрація кисню приблизно в два рази менша, а вуглецю - в три рази більша. Таким чином, за довжиною монокристала змінюються не тільки рівень концентрацій основних домішок, а й їх співвідношення.
Статистичний аналіз результатів вимірів показав,
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 3/1(5), 2012 © A. Galavka
що величина часу життя нерівноважних носіїв заряду має значний розкид від одного монокристала до іншого. Зв’язок величини тннз з концентрацією домішок прослідкуємо за експериментальними даними для шістьох монокристалів марки КДБ 0,5-1,7/10. Три монокристали були вирощені послідовно один за одним в установці №1, а три інших - в установці №2. Розподіл величини тннз в цих монокристалах за їх довжиною характеризується чималим розкидом, але дані величини тннз в функції від співвідношення концентрацій домішок кисню N0 й вуглецю ^ дають розкид, який лежить в межах похибки вимірювань -10 % (рис. 1).
^ННЗ, мкс
Відношення концентрацій кисню та вуглецю
Рис.1. Графіки залежностей тннз = і (N0/^) для монокристалів кремнію, призначених для виготовлення сонячних елементів 1- монокристали, вирощені в установці №1; 2 - в установці №2
Вдвічі більші значення тннз в монокристалах, вирощених в установці №1, ніж в установці №2, можна пояснити тим, що вже в своєму першому перетині (х = 1 см) вони мають значно меншу концентрацію вуглецю ^С1 = 1,2-1016 см-3), (в установці №2 - N0 = 2,8-1016 см-3). Така відмінність є наслідком використання в цих двох установках підставок для кварцового тигля з графіту неоднакової марки.
3.3. Висновки
За експериментальним даними показано, що значення величини часу життя нерівноважних носіїв заряду тннз в монокристалах кремнію, вирощуваних у промислових умовах, визначається співвідношенням концентрацій двох комплексоутворюючих домішок -кисню й вуглецю.
Отримані результати дозволяють внести корективи в програму процесу вирощування монокристалів кремнію за методом Чохральського, спрямовані на збільшення величини часу життя нерівноважних носіїв заряду тннз в монокристалах і таким чином на підвищення їхньої якості й виходу придатного продукту.
Література
1. Швец, Е.Я. Монокристаллический кремний - основной материал для солнечных элементов [Текст] : зб. наук. пр. / Е.Я. Швец // Металургія. - Запоріжжя: ЗДІА, 2006.
- Вип. 14. - С. 120-127.
2. Швец, Е.Я. Развитие технологии кремниевого сырья для изготовления солнечных батарей [Текст] / Е.Я. Швец, О.П. Головко., И.Ф. Червоный, РН. Воляр // Теория и практика металлургии, 2006. - № 6. - С. 44-49.
3. Червоный, И.Ф. Особенности технологии материалов для солнечной энергетики [Текст] тез. докл. II Международной конференции, 2-9 июня 2006 г./ И.Ф. Червоный, РН. Воляр, Е.Я. Швец, А.С. Голев // Стратегия качества в промышленности и образовании. - Варна, Болгария, 2006.
- Том 1. - С. 294-299.
4. Швец, Е.Я. Технологии и материалы солнечной енергетики [Текст] / Евгений Яковлевич Швец. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. - 239 с.
5. Швец, Е.Я. Анализ технологий производства поликри-сталлического кремния для солнечных элементов [Текст] : зб. наук. пр. / Е.Я. Швец // Металургія. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. - Вип. 15. -С. 92-98.
6. Швец, Е.Я. Технологии поликристаллического кремния для солнечных элементов [Текст] / Е.Я. Швец // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007.
- № 1. - С. 15-20.
7. Швец, Е.Я. Анализ технологий производства поликри-сталлического кремния для солнечных элементов [Текст] : зб. наук. пр. / Е.Я. Швец // Металургія. - Запоріжжя: ЗДІА, 2007. - Вип. 15. -С. 92-98.
8. Головко, Ю.В. Модернизация тепловой системы для выращивания монокристаллов кремния [Текст] / Ю.В. Головко, А.С. Голев, А.Б. Комаров, Е.Я. Швец, С.Г. Егоров, РН. Воляр // Теория и практика металлургии, 2008. - №2 (63). - С.20-23.
9. Технические условия: ГОСТ 19658-81. Кремний монокристаллический в слитках [Текст]. - Чинний від 01.01.81.
- М.: Изд-во стандартов, 1981. - 72 с.
10. Швець, Є.Я. Вплив комплексоутворення на коефіцієнти розподілу домішок у процесі вирощування монокристалів кремнію [Текст] : зб. наук. пр. / Є.Я. Швець, Ю.В Головко. // Металургія. - Запоріжжя: ЗДІА, 2011. - Вип. 25. - С. 124 - 131.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА ВРЕМЯ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МОНОКРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ
А. К. Головко
В статье на основании экспериментальных исследований установлено, что на время жизни неравновесных носителей заряда в монокристаллах кремния, выращенных в промышленных условиях, более всего влияет соотношение концентраций примесей кислорода и углерода
Ключевые слова: кремний, кислород, углерод, время жизни
Александр Константинович Головко, студент, Запорожская государственная инженерная академия, тел. (061) 236-90-80, e-mail: akgolovko@gmail.com
INFLUENCE OF IMPURITY ON THE LIFE PERIOD OF THE CHARGE IN SILICON SINGLE CRYSTALS
A. Golovko
In article on the basis of experimental researches it is established, that on the life period of the nonequilibrium charge carriers in the silicon single crystals which has been growing in industrial conditions, the greatest influence renders the ratio of concentration of impurity of oxygen and carbon
Keywords: silicon, oxygen, carbon, life period
Alexander Golovko, student, Zaporozhye engineering academy, tel. (061) 236-90-80, e-mail: akgolovko@gmail.com
I 32
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/1(5), 2012
