Licht Verbeterde waterstoffluoride Passiveren: Een gevoelige techniek voor het opsporen Bulk Silicon Gebreken
Summary
Een RT vloeibare oppervlaktepassivering techniek om de recombinatie activiteit van bulk silicium gebreken onderzoeken wordt beschreven. Voor de techniek succesvol zijn, zijn er drie belangrijke stappen noodzakelijk: (i) chemisch reinigen en etsen van silicium, (ii) onderdompeling van silicium in 15% fluorwaterstofzuur en (iii) verlichting van 1 min.
Abstract
Een procedure om de bulk levensduur (> 100 psec) silicium wafers te meten door tijdelijk het bereiken van een zeer hoog oppervlaktepassivering bij onderdompelen van de wafers in fluorwaterstofzuur (HF) wordt gepresenteerd. Door deze procedure drie cruciale stappen nodig zijn om de bulk levensduur bereiken. Allereerst vóór onderdompelen silicium wafers in HF, ze chemisch gereinigd en vervolgens geëtst in 25% tetramethylammoniumhydroxide. Ten tweede worden de chemisch behandelde wafers vervolgens in een grote plastic container gevuld met een mengsel van HF en zoutzuur, en vervolgens gecentreerd over een inductieve spoel voor photoconductance (PC) metingen. Ten derde oppervlak recombinatie remmen en meet de massa levensduur, de wafers worden verlicht 0,2 zonnen gedurende 1 minuut met een halogeenlamp, is de verlichting uitgeschakeld en een PC meting wordt meteen gemaakt. Met deze procedure kan de kenmerken van bulk silicium gebreken nauwkeurig worden bepaald. Bontvendien wordt verwacht dat een gevoelige RT oppervlaktepassivering techniek noodzakelijk is voor de behandeling bulk silicium defecten wanneer de concentratie laag is (<10 12 cm -3).
Introduction
Hoge levensduur (> 1 msec) monokristallijn silicium wordt steeds belangrijker voor een hoog rendement zonnecellen. Inzicht in de recombinatie kenmerken van embedded onzuiverheden is geweest, en blijft een belangrijk onderwerp. Een van de meest gebruikte technieken om de recombinatie activiteit van ingegroeide defecten worden onderzocht door een photoconductance methode 1. Door deze techniek is het vaak moeilijk volledig aparte ondergrond bulkgoed recombinatie, waardoor het moeilijk de recombinatie kenmerken van ingegroeide gebreken onderzocht. Gelukkig bestaan er verschillende diëlektrische films die kunnen bereiken zeer lage effectieve oppervlakte recombinatie snelheden (S eff) van <5 cm / sec, en dus effectief oppervlakte recombinatie remmen. Deze zijn, siliciumnitride (SiN x: H) 2, aluminiumoxide (Al 2 O 3) 3 en amorf silicium (a-Si: H) 4. De afzetting en eennealing temperaturen (~ 400 ° C) van deze diëlektrische films worden beschouwd als laag te zijn genoeg niet om permanent de recombinatie activiteit van de volwassenen in defecten deactiveren. Voorbeelden hiervan zijn de ijzer-boron boor 5 en 6 zuurstof defecten. Echter, onlangs bleek dat leegstand zuurstof en beschikbaarheid fosfor defecten in n-type Czochralski (CZ) silicium volledig kan worden uitgeschakeld bij temperaturen van 250-350 ° C 7,8. Evenzo een defect in float-zone (FZ) p-type silicium bleek te deactiveren bij ~ 250 ° C 9. Derhalve kunnen conventionele passivering technieken zoals plasma versterkte chemische dampafzetting (PECVD) en atomic layer deposition (ALD) niet geschikt voor het remmen oppervlak recombinatie gekweekt in bulk gebreken onderzocht. Bovendien SiN x: H en a-Si: H films bleken bulk silicium defecten deactiveren door middel hydrogenering 10,11. Dus de recombinatieactiviteit o onderzocht f ingegroeide defecten zou een RT oppervlaktepassivering techniek ideaal. Natte chemische oppervlaktepassivering voldoet aan deze eis.
In de jaren 1990 Horanyi et al. Aangetoond dat onderdompeling van silicium wafers aan jodium-ethanol (IE) oplossing verschaft een middel om silicium wafers passiveren, bereiken S eff <10 cm / sec 12. In 2007 Meier et al. Toonden aan dat jodium-methanol (IM) oplossingen het oppervlak recombinatie 7 cm / sec 13 kan verminderen, terwijl in 2009 Chhabra et al. Aangetoond dat S eff van 5 cm / sec kan worden bereikt door onderdompeling silicon wafers in quinhydron-methanol (QM) -oplossingen 14,15. Ondanks de uitstekende oppervlaktepassivering bereikt door IE, IM en QM-oplossingen, hebben ze geen adequate oppervlaktepassivering (S eff <5 cm / sec) om het grootste deel levensduur van een hoge zuiverheidsgraad silicium wafers te meten.
nt "> Een andere wijze om een hoog oppervlaktepassivering bereikt wordt door onderdompeling silicium wafers in HF zuur. Het begrip gebruik HF silicium wafers passiveren werd eerst geïntroduceerd door Yablonavitch et al. in 1986, die een record lage S eff aangetoonde 0,25 ± 0,5 cm / sec 16. Hoewel uitstekende oppervlaktepassivering werd bereikt op hoge weerstand wafers, hebben we de techniek niet kan worden herhaald, waardoor een grote onzekerheid om de levensduur meting voegen zijn. Derhalve de onzekerheid beperken door consequent realiseren vond een zeer lage S eff (~ 1 cm / sec), hebben we een nieuwe HF passivering techniek die drie cruciale stappen omvat, (i) chemisch reinigen en etsen van silicium wafers, (ii) onderdompeling in een 15% HF oplossing en (iii) ontwikkeld verlichting voor 1 min 17,18. Deze procedure is eenvoudig en tijdbesparend in vergelijking met de bovengenoemde traditionele PECVD en ALD depositietechnieken.Protocol
Representative Results
Discussion
De succesvolle implementatie van de bulk silicium levensduur meettechniek hierboven beschreven is gebaseerd op drie cruciale stappen, (i) chemisch reinigen en etsen van het silicium wafers, (ii) onderdompeling in een 15% HF-oplossing en (iii) de verlichting gedurende 1 minuut 17, 18,19. Zonder deze stappen kan de bulk levensduur niet worden gemeten met zekerheid.
Aangezien de meettechniek wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur, de oppervlaktepassivering kwaliteit is zeer gevoelig v…
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).
