Leicht verbesserte Flusssäure Passivierung: eine empfindliche Technik zum Nachweis von Bulk-Silizium-Defekte
Summary
A RT flüssige Oberflächenpassivierung Technik, um die Rekombination Aktivität von Bulk-Silizium-Defekte zu untersuchen beschrieben. Für die Technik erfolgreich ist, drei kritische Schritte erforderlich sind: (i) chemische Reinigen und Ätzen von Silizium, (ii) Eintauchen des Silizium in 15% Fluorwasserstoffsäure und (iii) Beleuchtungs für 1 min.
Abstract
Ein Verfahren, um die Volumenlebensdauer (> 100 & mgr; s) von Silizium-Wafern durch zeitweises Erreichen einer sehr hohen Oberflächenpassivierung beim Eintauchen der Wafer in Fluorwasserstoffsäure (HF) dargestellt messen. Durch dieses Verfahren drei wesentliche Schritte sind erforderlich, um die Volumenlebensdauer zu erreichen. Erstens, vor dem Eintauchen in die Siliziumwafer HF, sie chemisch gereinigt und anschließend in 25% Tetramethylammoniumhydroxid geätzt. Zweitens werden die chemisch behandelten Wafer dann in einen großen Plastikbehälter mit einer Mischung aus HF und Salzsäure gefüllt ist, und dann über eine Induktionsspule für die Photoleitfähigkeit (PC) Messungen zentriert. Drittens, die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zu hemmen und Messung der Volumenlebensdauer werden die Wafer bei 0,2 Sonnen für 1 min unter Verwendung einer Halogenlampe beleuchtet wird, wird das Beleuchtungs abgeschaltet und ein PC Messung erfolgt sofort. Durch dieses Verfahren können die Eigenschaften des massiven Silizium Defekte genau bestimmt werden. Pelzhinaus, es wird erwartet, dass eine empfindliche RT Oberflächenpassivierung Technik wird zwingend notwendig für die Prüfung Bulk-Silizium-Defekte werden, wenn ihre Konzentration niedrig ist (<10 12 cm -3).
Introduction
Hohe Lebensdauer (> 1 ms) monokristallinem Silizium wird für hocheffizienten Solarzellen immer wichtiger. Das Verständnis der Rekombination Eigenschaften der eingebetteten Verunreinigungen ist und bleibt ein wichtiges Thema. Einer der am häufigsten verwendeten Techniken, um die Rekombinationsaktivität wachsenen Defekte zu prüfen ist, indem eine Photoleitfähigkeit Verfahren 1. Durch diese Technik ist es oft schwierig, vollständig getrennte Fläche aus Schütt Rekombination, wodurch es schwierig ist, die Rekombination Charakteristika wachsenen Defekte zu prüfen. Glücklicherweise gibt es mehrere dielektrische Schichten, die sehr niedrige effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten (S eff) von <5 cm / s erreichen kann und somit Oberflächenrekombination wirksam hemmen. Diese sind, Siliziumnitrid (SiNx: H) 2, Aluminiumoxid (Al 2 O 3) 3 und amorphes Silizium (a-Si: H) 4. Die Abscheidung und einTempern Temperaturen (~ 400 ° C) dieser dielektrischen Filme werden als gering eingeschätzt genug, um nicht endgültig die Rekombination Aktivität der eingewachsene Defekte zu deaktivieren. Beispiele hierfür sind die Eisen-Bor-5 und Borsauerstoff 6 Defekten. Jedoch kürzlich festgestellt, dass Leerstellen-Sauerstoff und Leerstellen-Phosphor Fehlern n -Typ Czochralski (Cz) Silizium vollständig bei Temperaturen von 250-350 ° C 7,8 deaktiviert. Ebenso ein Defekt in Floatzone (FZ) P-Typ-Silizium wurde festgestellt, bei ~ 250 ° C 9 zu deaktivieren. Daher können herkömmliche Passivierungstechniken wie Plasma verstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) und Atomlagenabscheidung (ALD) nicht geeignet zur Hemmung Oberflächenrekombination zu eingewachsenen Defekten im Volumen zu untersuchen. Weiterhin SiN x: H und a-Si: H-Schichten wurde gezeigt, Bulk-Silizium Fehlern durch Hydrierung 10,11 deaktivieren. Deshalb, um die Rekombinationsaktivität o prüfen f wachsene Defekte, eine RT Oberflächenpassivierung Technik wäre ideal. Nasschemische Oberflächenpassivierung erfüllt diese Anforderung.
In den 1990er Jahren Horanyi et al., Dass das Eintauchen in Silizium-Wafern Iod-ethanol (IE) Lösungen stellt ein Mittel bereit, um Silizium-Wafer zu passivieren, das Erreichen S eff <10 cm / sec. 12 2007 Meier et al. Zeigten, dass Iod-Methanol (IM) Lösungen können die Oberflächenrekombination bis 7 cm / sec 13 zu verringern, während im Jahr 2009 Chhabra et al., Dass S eff von 5 cm / sec durch Eintauchen Siliziumwafer erreicht werden in Chinhydron-methanol (QM) Lösungen 14,15. Trotz der ausgezeichneten Oberflächenpassivierung von IE, IM und QM-Lösungen erreicht, liefern sie keine ausreichende Oberflächenpassivierung (S eff <5 cm / sec), um die Masse Lebensdauer von hochreinem Silizium-Wafern zu messen.
nt "> Ein anderes Mittel, um ein hohes Niveau der Oberflächenpassivierung durch Eintauchen Siliziumwafern in HF-Säure 1986, die eine Aufzeichnung niedriger S eff gezeigt erreicht wird. Der Begriff der Verwendung von HF, um Silizium-Wafer zu passivieren, wurde zuerst von Yablonavitch et al. 0,25 ± 0,5 cm / sec. 16 zwar eine ausgezeichnete Oberflächen Passivierung auf hohem spezifischen Widerstand Wafer erreicht haben wir das Verfahren als nicht reproduzierbar, so dass die Zugabe einer großen Unsicherheit der Messung der Lebensdauer. Daher, um die Unsicherheit durch die konsequente Verwirklichung begrenzen fand eine sehr niedrige S eff (~ 1 cm / sec), haben wir ein neues HF Passivierung Technik, die drei kritischen Schritte umfasst, (i) das chemische Reinigen und Ätzen von Siliciumwafern, (ii) Eintauchen in eine 15% HF-Lösung und (iii) entwickelten Beleuchtung für 1 min 17,18. Dieses Verfahren ist einfach und zeitsparend im Vergleich zum herkömmlichen PECVD und ALD-Abscheidungstechniken oben aufgeführt.Protocol
Representative Results
Discussion
Die erfolgreiche Durchführung der oben beschriebenen Silicium-Volumenlebensdauermessung Technik basiert auf drei kritischen Schritte, (i) das chemische Reinigen und Ätzen der Silizium-Wafer, (ii) Eintauchen in eine 15% HF-Lösung und (iii) Beleuchtung für 1 min 17 basierend, 18,19. Ohne diesen Schritten kann der Volumenlebensdauer nicht mit Sicherheit bestimmt werden.
Da die Messtechnik bei RT durchgeführt wird, ist die Oberflächenpassivierqualität sehr anfällig gegenüber …
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).
