פסיבציה אור משופרת חומצה הידרופלואורית: טכניקה רגישה לגילוי פגמים הסיליקון גורף
Summary
טכניקת פסיבציה פני נוזל RT לחקור את פעילות רקומבינציה של פגמי סיליקון תפזורת מתוארת. לטכניקה כדי להצליח, שלושה שלבים קריטיים נדרשים: ניקוי (i) כימי ותחריט של סיליקון, (ii) טבילה של סיליקון ב -15% חומצה הידרופלואורית (iii) תאורה 1 דקות.
Abstract
הליך למדידת החיים בתפזורת (> 100 μsec) של פרוסות סיליקון באופן זמני להשגת רמה גבוהה מאוד של פסיבציה פני השטח, כאשר טבילת הוופלים בחומצה הידרופלואורית (HF) מוצג. על ידי הליך זה שלושה שלבים קריטיים נדרשים כדי להשיג את החיים בתפזורת. ראשית, לפני טבילת פרוסות סיליקון לHF, הם כימיים ניקו וחקוקים לאחר מכן ב -25% הידרוקסיד tetramethylammonium. שנית, הוופלים טיפול כימי לאחר מכן להציב לתוך מיכל פלסטיק גדול הממולא בתערובת של HF וחומצה הידרוכלורית, ולאחר מכן במרכז על סליל אינדוקטיביים לphotoconductance מדידות (PC). שלישית, לעכב רקומבינציה פני השטח ולמדוד את החיים בתפזורת, הוופלים מוארים על 0.2 שמשות דקות 1 באמצעות מנורת הלוגן, התאורה כבויה, ומדידת מחשב נלקחת מייד. על ידי הליך זה, את המאפיינים של פגמי סיליקון בתפזורת ניתן לקבוע במדויק. פרווהthermore, שצפוי שטכניקת פסיבציה המשטח רגישה RT תהיה הכרחית לבחינת פגמי סיליקון בתפזורת כאשר הריכוז שלהם הוא נמוך (<10 12 סנטימטר -3).
Introduction
חיים גבוהים (msec> 1) סיליקון monocrystalline הופך חשוב יותר ויותר ליעילות גבוהה תאים סולריים. הבנת מאפייני רקומבינציה של זיהומים מוטבעים כבר, ונשאר נושא חשוב. אחת הטכניקות הנפוצות ביותר לבחון את פעילות רקומבינציה של פגמים מבוגרים בהוא על ידי שיטת photoconductance 1. על ידי טכניקה זו היא לעתים קרובות קשה למשטח נפרד לחלוטין מרקומבינציה בתפזורת, ובכך מקשים לבחון את מאפייני רקומבינציה של פגמים מבוגרים ב. למרבה המזל קיימים כמה סרטי דיאלקטרי שיכול להשיג מהירויות נמוכות מאוד יעילות רקומבינציה המשטח (EFF S) של <5 סנטימטר / sec, ובכך למעשה לעכב רקומבינציה פני השטח. אלה הם, סיליקון ניטריד (החטא x: H) 2, תחמוצת אלומיניום (Al 2 O 3) 3 וסיליקון אמורפי (-Si: H) 4. בתצהיר וnealing טמפרטורות (~ 400 מעלות צלזיוס) של סרטי דיאלקטרי אלה נחשבים לנמוכים מספיק כדי לא להשבית את פעילות רקומבינציה של מבוגרים בפגמים באופן קבוע. דוגמאות לכך הן חמצן הברזל-בורון 5 וורון 6 פגמים. עם זאת, לאחרונה נמצא כי ליקויים פנויים-הפנוי-חמצן וזרחן בCzochralski סיליקון -type n (CZ) יכולים להיות מנוטרלים לחלוטין בטמפרטורות של 250-350 מעלות צלזיוס 7,8. כמו כן פגם בלצוף אזור סיליקון -type p (FZ) נמצא לבטל ב ~ 250 ° C 9. לכן, טכניקות פסיבציה קונבנציונליות כגון תצהיר פלזמה משופרת אדים כימיים (PECVD) ותצהיר אטומי שכבה (ALD) עשויות שלא להיות מתאימות לעיכוב רקומבינציה משטח לבחון פגמים בתפזורת בוגרת ב. יתר על כן, SiN x: H ו- סי: סרטי H הוכחו לבטל פגמי סיליקון בתפזורת באמצעות הידרוגנציה 10,11. לכן לבחון את o פעילות רקומבינציה מבוגר בF פגמים, טכניקת פסיבציה משטח RT תהיה אידיאלית. פסיבציה משטח כימי הרטובה ממלאת את הדרישה הזאת.
בשנת 1990 Horanyi et al. הוכיח כי טבילה של פרוסות סיליקון ביוד-אתנול פתרונות (IE) מספק אמצעי לpassivate פרוסות סיליקון, השגת EFF S <10 סנטימטר / 12 שניות. בשנת 2007 מאייר הראה et al., כי פתרונות יוד-מתנול (IM) יכולים להפחית את רקומבינציה המשטח עד 7 סנטימטר / sec 13, ואילו בשינה 2009 Chhabra הפגין et al. שEFF S של 5 סנטימטר / sec ניתן להשיג על ידי טבילת פרוסות סיליקון בquinhydrone-מתנול (QM) פתרונות 14,15. למרות פסיבציה המשטח המצוין שהושגה על ידי IE, IM ופתרונות ניהול איכות, הם לא מספקים פסיבציה משטח המתאימה (S EFF <5 סנטימטר / sec) כדי למדוד את החיים בתפזורת של פרוסות סיליקון טוהר גבוה.
NT "> אמצעי נוסף להשגת רמה גבוהה של פסיבציה פני שטח על ידי טבילת פרוסות סיליקון בחומצה HF. הרעיון של שימוש בHF לpassivate פרוסות סיליקון הוצג לראשונה על ידי et al Yablonavitch. בשנת 1986, שהפגין EFF S הנמוך שיא של 0.25 ± 0.5 סנטימטר / sec 16. למרות פסיבציה משטח מצוינת הושגה על פרוסות התנגדות גבוהות, שמצאנו את הטכניקה להיות בלתי הדיר, וכך מוסיף אי ודאות גדולה למדידה לכל החיים. לכן להגביל את חוסר הוודאות על ידי השגת באופן עקבי מאוד EFF S הנמוך (~ 1 סנטימטר / sec), פיתחנו טכניקה חדשה פסיבציה HF שמשלבת שלושה שלבים קריטיים, (i) כימי ניקוי ותחריט של פרוסות סיליקון, (ii) טבילה בתמיסת HF 15% וכן (iii) תאורת 1 דקות 17,18. הליך זה הוא פשוט ויעיל זמן בהשוואה לPECVD המסורתי וטכניקות בתצהיר אלד מפורט לעיל.Protocol
Representative Results
Discussion
היישום המוצלח של טכניקת מדידת החיים סיליקון בתפזורת שתוארה לעיל מבוסס על שלושה שלבים קריטיים, (i) כימי ניקוי ותחריט פרוסות סיליקון, (ii) טבילה בתמיסת 15% HF וכן (iii) תאורה 1 דקות 17, 18,19. ללא צעדים אלה, החיים בתפזורת שלא ניתן למדוד בודאות.
<p class="jove_content" style=";text-align:right;directio…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This program has been supported by the Australian Government through the Australian Renewable Energy Agency (ARENA). Responsibility for the views, information or advice expressed herein is not accepted by the Australian Government.
Materials
| Hydrofluoric acid (48%) | Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrofluoric-acid-48%25,MDA_CHEM-100334 | 1003340500 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Hydrochloric acid 32%, AR | ACI Labscan, http://www.rcilabscan.com/modules/productview.php?product_id=1985 | 107209 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Ammonia (30%) Solution AR | Chem-supply, https://www.chemsupply.com.au/aa005-500m | AA005 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Hydrogen Peroxide (30%) | Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrogen-peroxide-30%25,MDA_CHEM-107209 | 1072092500 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Tetramethylammonium hydroxide (25% in H2O) | J.T Baker, https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4562992 | 5879-03 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| 640 mL round plastic container | Sistema, http://sistemaplastics.com/products/klip-it-round/640ml-round | N/A | This is a good container for storing the 15% HF solution in. |
| WCT-120 lifetime tester | Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com/Sinton-Instruments-WCT-120.html | N/A | |
| Dell workstation with Microsoft Office Pro, Data acquisition card and software including Sinton Software under existing license. | Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com | N/A | |
| Halogen optical lamp, ELH 300W, 120V | OSRAM Sylvania, http://www.sylvania.com/en-us/products/halogen/Pages/default.aspx | 54776 | Any equivalent lamp could be used. |
| Voltage power source | Home made power supply | N/A | Any power supply could be used provided it can produce up to 90 Volts and 1-5 Amps. |
| Conductivity meter | WTW, http://www.wtw.de/uploads/media/US_L_07_Cond_038_049_I_02.pdf | LF330 |
References
- Sinton, R. A., Cuevas, A. Contactless determination of current-voltage characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state photoconductance data. Appl. Phys. Lett. 69 (17), 2510-2512 (1996).
- Wan, Y., McIntosh, K. R., Thomson, A. F., Cuevas, A. Low surface recombination velocity by low-absorption silicon nitride on c-Si. IEEE J. Photovoltaics. 3 (1), 554-559 (2013).
- Hoex, B., Schmidt, J., Pohl, P., van de Sanden, M. C. M., Kessels, W. M. M. Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3. J. App. Phys. 104 (4), 044903 (2008).
- Dauwe, S., Schmidt, J., Hezel, R. Very low surface recombination velocities on p.- and n.-type silicon wafers passivated with hydrogenated amorphous silicon films. , 1246-1249 (2012).
- Macdonald, D., Cuevas, A., Wong-Leung, J. Capture cross-sections of the acceptor level of iron-boron pairs in p-type silicon by injection-level dependent lifetime measurements. J. App. Phys. 89 (12), 7932-7339 (2001).
- Schmidt, J., Bothe, K. Structure and transformation of the metastable boron- and oxygen-related defect center in crystalline silicon. Phys. Rev. B. 69 (2), 024107 (2004).
- Rougieux, F., Grant, N., Murphy, J., Macdonald, D. Influence of Annealing and Bulk Hydrogenation on Lifetime Limiting Defects in Nitrogen-Doped Floating Zone Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (2), 495-498 (2014).
- Zheng, P., Rougieux, F., Grant, N., Macdonald, D. Evidence for vacancy-related Recombination Active Defects in as-grown n-type Czochralski Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (1), 183-188 (2014).
- Grant, N. E., Rougieux, F. E., Macdonald, D., Bullock, J., Wan, Y. Grown-in point defects limiting the bulk lifetime of p.-type float-zone silicon wafers. J. App. Phys. 117 (5), 055711 (2015).
- Hallam, B., et al. Hydrogen passivation of B-O defects in Czochralski silicon. Energy Procedia. 38, 561-570 (2013).
- Hallam, B., et al. Advanced bulk defect passivation for silicon solar cells. IEEE J. Photovoltaics. 4 (1), 88-95 (2014).
- Hornyi, T. S., Pavelka, T., Ttt, P. In situ bulk lifetime measurement on silicon with a chemically passivated surface. App. Surf. Sci. 63 (1-4), 306-311 (1993).
- Meier, D. L., Page, M. R., Iwaniczko, E., Xu, Y., Wang, Q., Branz, H. M. Determination of surface recombination velocities for thermal oxide and amorphous silicon on float zone silicon. , (2007).
- Chhabra, B., Bowden, S., Opila, R. L., Honsberg, C. B. High effective minority carrier lifetime on silicon substrates using quinhydrone-methanol passivation. App. Phys. Lett. 96 (6), 063502 (2010).
- Chhabra, B., Weiland, C., Opila, R. L., Honsberg, C. B. Surface characterization of quinhydrone-methanol and iodine-methanol passivated silicon substrates using X-ray photoelectron spectroscopy. Phys. Stat. Sol. (a). 208 (1), 86-90 (2011).
- Yablonovitch, E., Allara, D. L., Chang, C. C., Gmitter, T., Bright, T. B. Unusually low surface recombination velocity on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. Lett. 57 (2), 249-252 (1986).
- Grant, N. E., McIntosh, K. R., Tan, J. T. Evaluation of the bulk lifetime of silicon wafers by immersion in hydrofluoric acid and illumination. J. Solid State Sci. Technol. 1 (2), P55-P61 (2012).
- Grant, N. E., et al. Light enhanced hydrofluoric acid passivation for evaluating silicon bulk lifetimes. 28.th. European Photovoltaic Solar Energy Conference. , 883-887 (2013).
- Grant, N. E. . Surface passivation and characterization of crystalline silicon by wet chemical treatments. , (2012).
- Kern, W. The evolution of silicon wafer cleaning technology. J. Electrochem. Soc. 137 (6), 1887-1892 (1990).
- Angermann, H., et al. Wet-chemical passivation of atomically flat and structured silicon substrates for solar cell application. App. Surf. Sci. 254 (12), 3615-3625 (2008).
- Angermann, H., Henrion, W., Rseler, A., Rebien, M. Wet-chemical passivation of Si(111)- and Si(100)-substrates. Mat. Sci. Eng. B. 73 ((1-3)), 178-183 (2000).
- Bertagna, V., Plougonven, C., Rouelle, F., Chemla, M. p- and n-type silicon electrochemical properties in dilute hydrofluoric acid solutions. J. Electrochem. Soc. 143 (11), 3532-3538 (1996).
- Bertagna, V., Erre, R., Rouelle, F., Chemla, M. Ionic components dependence of the charge transfer reactions at the silicon/HF solution interface. J. Solid State Electrochem. 4 (1), 42-51 (1999).
- Kolasinski, K. The mechanism of Si etching in fluoride solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 5 (6), 1270-1278 (2003).
- Trucks, G. W., Raghavachari, K., Higashi, G. S., Chabal, Y. J. Mechanism of HF etching of silicon surfaces: A theoretical understanding of hydrogen passivation. Phys. Rev. Lett. 65 (4), 504-507 (1990).
- Zhang, X. G. . Electrochemistry of silicon and its oxide. , (2001).
