Lumière amélioré la passivation de l'acide fluorhydrique: une technique sensible pour détecter des défauts de silicium massif
Summary
A la surface du liquide de passivation technique RT pour étudier l'activité de recombinaison des défauts de silicium en vrac est décrit. Pour la technique soit efficace, trois étapes essentielles sont nécessaires: (i) le nettoyage et la gravure chimique du silicium, (ii) immersion de silicium dans de l'acide fluorhydrique à 15% et (iii) l'illumination pendant 1 min.
Abstract
Un procédé pour mesurer la durée de vie en vrac (> 100 ps) de plaquettes de silicium par la réalisation temporairement un niveau très élevé de passivation de surface lors de l'immersion des tranches dans de l'acide fluorhydrique (HF) est présentée. Par cette procédure en trois étapes critiques sont nécessaires pour atteindre la durée de vie en vrac. Tout d'abord, avant l'immersion des tranches de silicium en HF, elles sont nettoyées chimiquement et ensuite gravés dans 25% d'hydroxyde de tétraméthylammonium. D'autre part, les tranches traitées chimiquement sont ensuite placés dans un récipient en plastique grand rempli d'un mélange de HF et de l'acide chlorhydrique, puis centrés sur une bobine d'induction pour photoconductance (PC) mesures. En troisième lieu, pour inhiber la recombinaison de surface et de mesurer la durée de vie en vrac, les plaquettes sont éclairés à 0.2 soleils pendant 1 min en utilisant une lampe à halogène, l'éclairage est éteint, et une mesure de la PC est immédiatement retiré. Par ce procédé, les caractéristiques de défauts de silicium en vrac peuvent être déterminées avec précision. FourrureThermore, il est prévu que la technique de passivation de surface sensible RT sera impératif pour l'examen de défauts de silicium en vrac lors de leur concentration est faible (<10 12 cm -3).
Introduction
Haute durée de vie (> 1 ms) de silicium monocristallin est de plus en plus important pour les cellules solaires à haut rendement. Comprendre les caractéristiques de recombinaison d'impuretés embarqués a été, et reste un sujet important. Une des techniques les plus utilisées pour examiner l'activité de recombinaison des défauts cultivés en est par une méthode de photoconductance 1. Par cette technique, il est souvent difficile de surface complètement séparé de recombinaison en vrac, ce qui rend difficile d'examiner les caractéristiques de défauts de recombinaison adultes dans. Heureusement, il existe plusieurs films diélectriques qui peuvent atteindre des vitesses très faibles de recombinaison de surface effective S eff () de <5 cm / sec, et ainsi inhiber efficacement la recombinaison de surface. Ce sont, de nitrure de silicium (SiN x: H) 2, l'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3) 3 et du silicium amorphe (a-Si: H) 4. Le dépôt et unenealing températures (~ 400 ° C) de ces films diélectriques sont considérés comme suffisamment faible pour ne pas désactiver de façon permanente l'activité de recombinaison de l'adulte dans les défauts. Les exemples en sont le fer-bore et de bore oxygène 5 6 défauts. Toutefois, récemment, il a été constaté la vacance d'oxygène et de vacance de phosphore défauts de type n Czochralski (Cz) silicium peuvent être complètement désactivés à des températures de 250-350 ° C 7,8. De même, un défaut de zone flottante (FZ) de type p silicium a été trouvé pour désactiver à ~ 250 ° C 9. Par conséquent, les techniques de passivation classiques tels que plasma dépôt chimique en phase vapeur (PECVD) et dépôt de couche atomique (ALD) peuvent ne pas convenir pour inhiber la recombinaison de surface à examiner les défauts adultes en vrac. En outre, SiN x: H et a-Si: H films ont été montrés pour désactiver les défauts de silicium en vrac par hydrogénation 10,11. Par conséquent, pour examiner l'activité de recombinaison o f-cultivé dans les défauts, une technique de passivation de surface RT serait idéal. Wet passivation chimique de surface satisfait à cette exigence.
Dans les années 1990 Horányi et al. Ont démontré que l'immersion des tranches de silicium dans des solutions iode-éthanol (IE) fournit un moyen pour passiver des plaquettes de silicium, la réalisation S eff <10 cm / s 12. En 2007 Meier et al. Ont montré que les solutions iode-méthanol (IM) peuvent réduire la recombinaison de surface de 7 cm / s 13, tandis qu'en 2009 Chhabra et al. Ont démontré que S eff de 5 cm / s peut être obtenue par immersion de tranches de silicium en quinhydrone-méthanol (QM) 14,15 solutions. Malgré l'excellente passivation de surface réalisé par IE, la messagerie instantanée et des solutions QM, ils ne fournissent pas passivation de surface adéquate (S eff <5 cm / sec) pour mesurer la durée de vie en vrac de plaquettes de silicium de haute pureté.
nt "> Un autre moyen d'atteindre un niveau élevé de passivation de surface est en immergeant des plaquettes de silicium dans de l'acide HF. La notion de utilisant HF pour passiver plaquettes de silicium a été introduit par Yablonavitch et al. en 1986, qui a démontré un niveau record S eff 0,25 ± 0,5 cm / sec 16. Bien excellente passivation de surface a été atteint sur des plaquettes de haute résistivité, nous avons trouvé la technique pour être non répétable, ajoutant ainsi une grande incertitude pour la mesure de la durée de vie. Par conséquent, pour limiter l'incertitude en réalisant régulièrement une très bas S eff (~ 1 cm / sec), nous avons développé une nouvelle technique HF de passivation qui comprend trois étapes essentielles: (i) le nettoyage et la gravure de plaquettes de silicium chimiquement, (ii) immersion dans une solution de HF à 15% et (iii) illumination pendant 1 min 17,18. Cette procédure est à la fois simple et efficace du temps par rapport à la PECVD classique et des techniques de dépôt ALD ci-dessus.Protocol
Representative Results
Discussion
La mise en œuvre réussie de la technique de mesure de la durée de vie du silicium massif décrit ci-dessus est basé sur trois étapes essentielles: (i) nettoyage par voie chimique et la gravure des plaquettes de silicium, (ii) immersion dans une solution de HF à 15% et (iii) l'illumination pendant 1 min 17, 18,19. Sans ces étapes, la durée de vie en vrac ne peut être mesurée avec certitude.
Comme la technique de mesure est effectuée à la température ambiante, la qu…
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 and 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. and 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. and Kessels, W.M.M. Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3, J. App. Phys.,. 104(4), 044903, (2008).
- Dauwe, S., Schmidt, J. and Hezel, R. Very low surface recombination velocities on p.– and n.-type silicon wafers passivated with hydrogenated amorphous silicon films, Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference., 1246-1249, (2012).
- Macdonald, D., Cuevas, A. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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. and Branz, H.M. Determination of surface recombination velocities for thermal oxide and amorphous silicon on float zone silicon. 17.th. NREL Crystalline Silicon Workshop., (2007).
- Chhabra, B., Bowden, S., Opila, R.L. and 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. and 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. and 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. and 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, PhD Thesis., (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. and 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. and 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. and 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. and 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, Kluwer Academic Publishers., (2001).
