ضوء المحسن حمض الهيدروفلوريك التخميل: تقنية حساسة للكشف عن العيوب السيليكون السائبة
Summary
ووصف RT سطح السائل تقنية التخميل للتحقيق في نشاط إعادة التركيب من العيوب السيليكون السائبة. لهذه التقنية لتكون ناجحة، هناك حاجة إلى ثلاث خطوات حاسمة: (ط) التنظيف الكيميائية والنقش من السيليكون، (ب) الغمر من السيليكون في حمض الهيدروفلوريك 15٪ و (ج) الإضاءة لمدة 1 دقيقة.
Abstract
إجراء لقياس مدى الحياة بالجملة (> 100 μsec) من رقائق السيليكون عن طريق تحقيق مستوى عال جدا من التخميل السطح مؤقتا عندما غمر رقائق في حمض الهيدروفلوريك (HF) وتقدم. من خلال هذا الإجراء يطلب من ثلاث خطوات حاسمة لبلوغ عمر بالجملة. أولا، وقبل غمر رقائق السليكون إلى HF، يتم تنظيفها كيميائيا ومحفورا في وقت لاحق في 25٪ رباعي ميثيل الأمونيوم هيدروكسيد. ثانيا، ثم توضع رقائق المعالجة كيميائيا في وعاء من البلاستيك كبيرة مملوءة بمزيج من HF وحمض الهيدروكلوريك، ثم تركزت أكثر من لفائف الاستقرائي لphotoconductance (PC) القياسات. ثالثا، لمنع إعادة التركيب السطحي وقياس مدى الحياة بالجملة، تضاء رقائق عند 0.2 شموس لمدة 1 دقيقة تستخدم مصابيح الهالوجين، يتم فيها تشغيل الإضاءة خارج، واتخذت قياس PC على الفور. من خلال هذا الإجراء، وخصائص العيوب السيليكون السائبة يمكن تحديدها بدقة. فروthermore، فمن المتوقع أن حساسة RT تقنية التخميل السطح سيكون من الضروري لفحص العيوب السيليكون السائبة عندما تركيزهم منخفض (<10 12 سم -3).
Introduction
ارتفاع متوسط عمر (> 1 ميللي ثانية) أحادية السليكون أصبح أكثر أهمية من أي وقت مضى للخلايا الشمسية عالية الكفاءة. وقد فهم خصائص التوحد من الشوائب جزءا لا يتجزأ، ويبقى موضوع مهم. واحدة من الأكثر استخداما على نطاق واسع تقنيات لدراسة النشاط إعادة التركيب من العيوب التي تزرع في غير بطريقة photoconductance 1. من خلال هذه التقنية غالبا ما يكون من الصعب سطح مستقل تماما عن إعادة التركيب بالجملة، مما يجعل من الصعب لدراسة خصائص التوحد من العيوب نمت في. لحسن الحظ توجد العديد من الأفلام العازلة التي يمكن أن تحقق سرعات منخفضة جدا إعادة التركيب السطحي فعالة (S EFF) من <5 سم / ثانية، وبالتالي تمنع بشكل فعال إعادة التركيب السطحي. هذه هي، نيتريد السيليكون (SIN X: H) 2، وأكسيد الألومنيوم (آل 2 O 3) (3) والسيليكون غير المتبلور (أ -Si: H) 4. ترسب وnealing درجات الحرارة (~ 400 ° C) من هذه الأفلام عازلة تعتبر منخفضة بما فيه الكفاية لا لإيقاف النشاط إعادة التركيب من يزرع في العيوب بشكل دائم. الأمثلة على ذلك هي الأكسجين الحديد البورون 5 و 6 البورون العيوب. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة تبين أن الشغور الأكسجين والشواغر الفوسفور عيوب في ن من نوع Czochralski (تشيكوسلوفاكيا) السيليكون يمكن إبطال مفعولها تماما عند درجة حرارة 250-350 ° C 7،8. وبالمثل تم العثور على خلل في تعويم المنطقة (FZ) ص من نوع السيليكون لتعطيل في ~ 250 درجة مئوية 9. لذلك، وتقنيات تخميد التقليدية مثل البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية (PECVD) وترسب طبقة الذري (ALD) قد لا تكون مناسبة لتثبيط إعادة التركيب السطحي لفحص العيوب السائبة نمت في. وعلاوة على ذلك، والخطيئة س: H وسي: وقد ثبت H الأفلام في تعطيل العيوب السيليكون السائبة من خلال الهدرجة 10،11. لذلك لدراسة النشاط إعادة التركيب س العيوب، فإن تقنية التخميل السطح RT تكون مثالية و في نمت. الرطب التخميل السطح الكيميائية يفي بهذا الشرط.
في 1990s Horanyi وآخرون أظهرت أن الغمر من رقائق السليكون في اليود الإيثانول (IE) حلول توفر وسيلة لإيقاف فاعلية رقائق السليكون، وتحقيق S ممثل المؤسسة <10 سم / ثانية (12). في عام 2007 ماير وآخرون أظهرت أن اليود الميثانول (IM) حلول يمكن أن تقلل من إعادة التركيب السطحي إلى 7 سم / ثانية 13، بينما في عام 2009 Chhabra وآخرون أظهرت أن S ممثل المؤسسة من 5 سم / ثانية يمكن أن يتحقق عن طريق غمر رقائق السليكون في quinhydrone الميثانول (إدارة الجودة) حلول 14،15. وعلى الرغم من التخميل سطح ممتاز من قبل IE، IM وحلول إدارة الجودة يتحقق، إلا أنها لا تقدم التخميل السطح الملائم (S ممثل المؤسسة <5 سم / ثانية) لقياس مدى الحياة الأكبر من رقائق السليكون عالية النقاء.
الإقليم الشمالي "> وسيلة أخرى لتحقيق مستوى عال من التخميل السطح عن طريق غمر رقائق السليكون في حامض HF. وقدم فكرة استخدام HF إيقاف فاعلية رقائق السليكون أول من Yablonavitch وآخرون في عام 1986، الذي أظهر مستوى قياسي S ممثل المؤسسة من 0.25 ± 0.5 سم / ثانية (16). وعلى الرغم من التخميل سطح الممتاز قد تحقق على رقائق مقاومة عالية، وجدنا هذه التقنية ليكون غير قابل للتكرار، مما يزيد عدم اليقين كبير لقياس مدى الحياة. لذلك للحد من عدم اليقين من خلال تحقيق باستمرار جدا انخفاض S ممثل المؤسسة (~ 1 سم / ثانية)، قمنا بتطوير تقنية جديدة HF التخميل التي تتضمن ثلاث خطوات حاسمة، (ط) التنظيف والنقش من رقائق السليكون كيميائيا، (ب) الغمر في محلول HF 15٪ و (ج) الإضاءة لمدة 1 دقيقة 17،18. هذا الإجراء على حد سواء بسيطة وتستغرق وقتا كفاءة بالمقارنة مع PECVD التقليدية والتقنيات ترسب ALD المذكورة أعلاه.Protocol
Representative Results
Discussion
ويستند التنفيذ الناجح للسيليكون بالجملة تقنية قياس مدى الحياة المذكورة أعلاه على ثلاث خطوات حاسمة، (ط) تنظيف كيميائيا والحفر على رقاقات السيليكون، (ب) الغمر في محلول HF 15٪ و (ج) الإضاءة لمدة 1 دقيقة 17، 18،19. من دون هذه الخطوات، لا يمكن قياس مدى الحياة بالجملة بأي قد?…
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).
