Lys Forbedret flussyre Passivisering: En følsom teknikk for Oppdager Bulk Silicon Defekter
Summary
En RT væskeoverflaten passivisering teknikk for å undersøke aktiviteten rekombinasjon av bulk silisium mangler er beskrevet. For teknikken for å være vellykket, er tre kritiske trinn nødvendig: (i) kjemisk rensing og etsing av silisium, (ii) nedsenking av silisium i 15% hydrofluorsyre og (iii) belysning i 1 min.
Abstract
En fremgangsmåte for å måle bulk levetid (> 100 usek) av silisiumskiver ved midlertidig å oppnå et meget høyt nivå av overflatepassivering ved å dyppe skivene i flussyre (HF) blir presentert. Ved denne fremgangsmåten tre kritiske trinn er nødvendig for å oppnå masse levetid. For det første, før neddykking av silisiumskiver inn i HF, er de kjemisk renset og deretter etset i 25% tetrametylammoniumhydroksyd. For det andre, er de kjemisk behandlede skivene deretter plassert i en stor plastbeholder fylt med en blanding av HF og saltsyre, og deretter sentrert over en induktiv spole for photoconductance (PC) målinger. For det tredje, for å inhibere overflate rekombinasjon og måle bulk levetid, blir skivene belyst 0.2 soler i 1 min ved anvendelse av en halogenlampe, blir belysningen slått av, og et PC-måling umiddelbart tatt. Ved denne fremgangsmåten, kan egenskapene til bulksilisium defekter bestemmes nøyaktig. Pelsthermore, er det forventet at en sensitiv RT overflatepassivering teknikken vil være avgjørende for behandlingen av bulksilisium defekter når konsentrasjonen er lav (<10 12 cm -3).
Introduction
Høy levetid (> 1 ms) monokrystallinske silisium blir stadig viktigere for høyeffektive solceller. Forstå rekombinasjon karakteristikkene av innvevde urenheter har vært, og er fortsatt et viktig tema. En av de mest anvendte teknikker for å undersøke aktiviteten av rekombinasjon voksen i feilene er av en photoconductance metode 1. Ved denne teknikken er det ofte vanskelig å fullstendig atskilt fra overflaten bulk rekombinasjon, noe som gjør det vanskelig å undersøke egenskapene til rekombinasjon vokst i defekter. Heldigvis finnes det flere dielektriske filmer som kan oppnå svært lave effektive overflaten rekombinasjon hastigheter (S EFF) av <5 cm / sek, og dermed effektivt hemmer overflaten rekombinasjon. Disse er, silisiumnitrid (SiN x: H) 2, aluminiumoksyd (Al 2 O 3) 3 og amorft silisium (a-Si: H) 4. Avsetning og ennealing temperatur (~ 400 ° C) av disse dielektriske filmene er ansett å være lav nok til ikke å permanent deaktivere rekombinasjon aktiviteten av den voksne i defekter. Eksempler på dette er jern-boron 5 og bor oksygen 6 defekter. Men nylig ble det funnet at oksygen-stilling og stilling-fosfor defekter i n -type Czochralski (Cz) silisium kan være helt deaktiveres ved temperaturer på 250-350 ° C 7,8. Tilsvar en defekt i float-sone (FZ) p -type silisium ble funnet å deaktivere på ~ 250 ° C 9. Derfor kan konvensjonelle passiveringsteknikker slik som plasma forbedret kjemisk dampavsetning (PECVD) og atomlag nedfall (ALD) ikke være egnet for inhibering av overflate rekombinasjon for å undersøke dyrket i bulk-defekter. Videre sin x: H og a-Si: H filmer har vist seg å deaktivere bulk silisium defekter gjennom hydrogenering 10,11. Derfor å undersøke aktiviteten rekombinasjon o f vokst i defekter, ville en RT overflaten passivisering teknikk være ideelt. Wet kjemisk overflaten passivisering oppfyller dette kravet.
På 1990-tallet Horanyi et al. Viste at nedsenking av silisiumskiver i jod-etanol (IE) løsninger gir et middel for å passivere silisiumskiver, oppnå S eff <10 cm / sek 12. Meier et al., Viste at jod-metanol (IM) løsninger kan redusere overflate rekombinasjon til 7 cm / sek 13, mens det i 2009 Chhabra et al., Viste at S eff på 5 cm / sek, kan oppnås ved å neddykke silisiumwafere i 2007 i Quinhydrone-metanol (QM) løsninger 14,15. Til tross for utmerket overflaten passivisering oppnås ved IE, IM og QM løsninger, har de ikke gir tilstrekkelig overflaten passivisering (S eff <5 cm / sek) for å måle bulk levetid av høy renhetsgrad silisiumskiver.
nt "> En annen måte å oppnå et høyt nivå av overflaten passivisering ved å dyppe silisiumskiver i HF syre. Tanken om å bruke HF til passivere silisiumskiver ble først introdusert av Yablonavitch et al. i 1986, som viste et rekordlavt S eff av 0,25 ± 0,5 cm / sek 16. Selv utmerket overflaten passivisering ble oppnådd på høy resistivitet wafere, har vi funnet teknikken for å være ikke-repeterbare, og dermed legge en stor usikkerhet til levetiden målingen. Derfor å begrense usikkerheten ved konsekvent å oppnå en svært lav S eff (~ 1 cm / sek), har vi utviklet en ny HF passivisering teknikk som inkorporerer tre kritiske trinn, (i) kjemisk rensing og etsing av silisiumskiver, (ii) innlevelse i en 15% HF løsning og (iii) belysning i 1 min 17,18. Denne fremgangsmåten er både enkel og effektiv tid i forhold til den tradisjonelle PECVD og ALD avsetningsteknikker som er nevnt ovenfor.Protocol
Representative Results
Discussion
Implementeringen av bulk silisium levetid måleteknikk som er beskrevet ovenfor er basert på tre kritiske trinn, (i) kjemisk rensing og etsing av silisiumwafere, (ii) nedsenking i en 15% HF-oppløsning og (iii) belysning i 1 min 17, 18,19. Uten disse trinnene, kan mesteparten levetid ikke måles med sikkerhet.
Som måleteknikken utføres ved romtemperatur, er overflatepassivering kvalitet svært utsatt for overflateforurensninger (metaller, organiske filmer). Dermed å effektivt …
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).
