Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ljus Enhanced fluorvätesyra Passive: En känslig teknik för att upptäcka Bulk Silicon Defekter

Published: January 4, 2016 doi: 10.3791/53614
Automatic Translation
1
1Research School of Engineering, Australian National University

Summary

En RT vätske ytpassivering teknik för att undersöka rekombinationsaktivitet av bulkkiseldefekter beskrivs. För tekniken för att vara framgångsrik, är tre kritiska steg krävs: (i) kemisk rengöring och etsning av kisel, (ii) nedsänkning av kisel i 15% fluorvätesyra och (iii) belysning för en minut.

Abstract

Ett förfarande för att mäta bulk livslängd (> 100 ^ sek) av kiselskivor genom att temporärt uppnå en mycket hög nivå av ytpassivering när nedsänka skivorna i fluorvätesyra (HF) presenteras. Genom denna procedur tre kritiska steg krävs för att uppnå bulk livstid. För det första, innan nedsänkning kiselskivor i HF, de är kemiskt rengöras och därefter etsad i 25% tetrametylammoniumhydroxid. För det andra är de kemiskt behandlade skivorna placerades sedan i en stor plastbehållare fylld med en blandning av HF och saltsyra, och sedan centreras över en induktiv spole för photoconductance (PC) mätningar. För det tredje, för att hämma yta rekombination och mäta bulk livslängd, är skivorna upplyst på 0,2 solar under 1 minut med användning av en halogenlampa, är belysningen avstängd och en PC mätning omedelbart tas. Genom denna procedur kan egenskaperna hos bulkkiseldefekter bestämmas noggrant. Pälsthermore, förväntas det att en känslig RT ytpassivering teknik kommer att vara absolut nödvändigt för att pröva bulkkiseldefekter när deras koncentration är låg (<10 12 cm -3).

Introduction

Hög livslängd (> 1 msek) monokristallint kisel blir allt viktigare för högeffektiva solceller. Förstå rekombination egenskaper inbäddade föroreningar har varit, och är fortfarande ett viktigt ämne. En av de mest använda teknikerna för att undersöka rekombinationsaktivitet av vuxna i defekter är av en photoconductance metod 1. Genom denna teknik är det ofta svårt att helt separat ytan från bulk rekombination, vilket gör det svårt att undersöka de rekombinationsställen egenskaper vuxna i defekter. Lyckligtvis finns det flera dielektriska filmer som kan uppnå mycket låga effektiva ytan rekombination hastigheter (S eff) av <5 cm / sekund, och därmed hämmar effektivt ytan rekombination. Dessa är, kiselnitrid (SiN x: H) 2, aluminiumoxid (Al 2 O 3) 3 och amorft kisel (a-Si: H) 4. Avsättningen och ennealing temperaturer (~ 400 ° C) av dessa dielektriska filmer anses vara tillräckligt låg för att inte permanent deaktivera rekombinationsaktivitet av den vuxna i defekter. Exempel på detta är järn-bor 5 och bor syre 6 defekter. Men nyligen fann man att vakans-syre och vakans-fosfor defekter i n -typ Czochralski (CZ) kisel kan helt deaktiveras vid temperaturer av 250-350 ° C 7,8. Likaså en defekt i float-zonen (FZ) p -typ kisel befanns inaktivera vid ~ 250 ° C 9. Därför kan konventionella passive tekniker såsom plasmaförstärkt CVD (PECVD) och atomlager nedfall (ALD) inte lämpliga för att hämma yta rekombination för att undersöka vuxna i bulk defekter. Dessutom SiN x: H och a-Si: H filmer har visats inaktivera bulk kiseldefekter genom hydrering 10,11. Därför att undersöka rekombinationsaktivitet o f vuxen i defekter skulle en RT ytpassivering tekniken vara perfekt. Våtkemisk ytpassivering uppfyller detta krav.

Under 1990-talet Horanyi et al., Visade att nedsänkning av kiselskivor i jod-etanol (IE) lösningar ger ett medel för att passivera kiselskivor, uppnå S eff <10 cm / s 12. Under 2007 Meier et al. Visade att jod-metanol (IM) lösningar kan minska ytan rekombination till 7 cm / s 13, medan det i 2009 Chhabra et al., Visade att S eff av 5 cm / s kan uppnås genom nedsänkning kiselskivor i kinhydron-metanol (QM) lösningar 14,15. Trots det utmärkta ytpassivering uppnås genom IE, IM och QM-lösningar, ger de inte tillräckligt ytpassivering (S eff <5 cm / sek) för att mäta bulk livslängd av hög renhet kiselskivor.

nt "> Ett annat sätt att uppnå en hög nivå av ytpassivering är genom att sänka kiselskivor i HF syra. Begreppet att använda HF att passivera kiselskivor infördes först av Yablonavitch et al. 1986, som visade en rekordlåga S eff av 0,25 ± 0,5 cm / sek 16. Även utmärkt ytpassivering uppnåddes på hög resistivitet skivor, har vi funnit tekniken för att vara icke-repeterbara, vilket bidrar en stor osäkerhet livstid mätningen. Därför att begränsa den osäkerhet genom att konsekvent uppnå en mycket låg S eff (~ 1 cm / sek), har vi utvecklat en ny HF passive teknik som omfattar tre viktiga steg, (i) kemiskt rengöring och etsning av kiselskivor, (ii) nedsänkning i en 15% HF-lösning och (iii) belysning för en minut 17,18. Detta förfarande är både enkelt och tidseffektivt i jämförelse med den traditionella PECVD och ALD deponeringstekniker som anges ovan.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Försöksinställning

  1. Leta upp en lämplig dragskåp för mätteknik, och ta bort eventuella irrelevanta utrustning för att möjliggöra bättre luftflöde och minska belamra. Använd inga andra än fluorvätesyra (HF) kemikalier i dragskåp.
  2. Testa kvaliteten på det avjoniserade (DI) vatten från kranen inuti dragskåpet med användning av en konduktivitetsmätare. Se till att Dl-vatten har en konduktans av högst 0,055 | iS / cm vid en temperatur av 20 ° C.
  3. Placera en minoritetsbärare livstid testare i dragskåp. Anslut kablarna till en dator, som är belägen på ett bord utanför dragskåpet.
  4. Slå på datorn och livslängd testare. Öppna livstid testare fil på datorn och klicka på "åtgärd" för att säkerställa korrekt kommunikation mellan datorn och livstid testare. Ljuskällan på livstid testaren ska blinka om datorn och testare är korrekt anslutna. Placera en halogenlampa inuti dragskåpet. Placera lampan så att den kan belysa livstid testare stadium där provet kommer att placeras.
  5. Anslut halogenlampan till en strömkälla som bör vara belägen utanför dragskåpet. När halogenlampan är påslagen, bör dess intensitet vara minst 0,02 W / cm 2 på livstid testare scenen.

2. Förbereda 15% HF-lösning

Obs: HF är en farlig kemikalie och måste behandlas med största omsorg. Det orsakar långsam, ihållande och djup skador på kroppen efter exponering. HF inte lätt bränna huden som andra syror - snarare absorberas snabbt in i huden och orsakar djup blåsbildning och skador på ben. Detta innebär att skelettet blir skört och blåsor som fluor reagerar med kalcium. HF binder också med fritt kalcium som används i nerv reglering och osmotisk cell balans, så bindning av fritt kalcium i kroppen kan vara dödligt. Det är ytterst viktigt attanvändaren följer laboratoriesäkerhetsprotokoll vid användning av HF, och ser till att de vet var HF första hjälpen-kit och Hexafluorine® (eller kalciumglukonat gel).

  1. Placera en kemiskt rengjord runda plastbehållare (H: 55 mm, D: 170 mm) i dragskåp (samma som i kapitel 1). Behållaren måste ha en klar plastlock. Se avsnitt 6 om hur kemiskt rengöra behållaren före användning.
  2. Rensa området kring plastbehållaren i dragskåp så att HF-lösningen kan framställas utan några hinder i närheten.
  3. Applicera all personlig skyddsutrustning (PPE).
  4. VARNING: Tillsätt 50 ml HF till 100 ml avjoniserat vatten (H2O) i behållaren.
  5. VARNING: Tillsätt 20 ml saltsyra (HCI) till behållaren och blanda H2O: HF: HCI-lösning med plast pincett. Skölj pincett noggrant efteråt.
  6. VARNING: Placera locket på plastbehållaren och låta solutipå att nöja sig med en timme. Under denna tid kommer HF rök kondensera på locket.
  7. Adekvat märka behållaren, och göra det klart att det innehåller HF.
    Obs: HF-lösning kommer att pågå 1-2 månader med tung användning. Därför finns det inget behov av att ersätta lösningen varje gång en mätning skall utföras.

3. Kalibrering av Lifetime Tester

  1. Lokalisera minst 6 kiselskivor med känd resistivitet och konduktans. Helst resistiviteten intervallet bör sträcka sig från 0,1 till 100 Ω cm.
  2. På datorn öppnar livstid testare kalibreringsfilen. Ange resistivitet varje skiva i tabellen och klicka sedan på "Uppdatera # av wafers".
  3. Klicka på "Hämta data" knappen i kalibreringsfilen och ange detaljer om livstids testare.
  4. Applicera all nödvändig skyddsutrustning.
  5. VARNING: Placera plastbehållare fylld med HF lösningen på livstid testare scenen och placera den över den induktiva spolen (bluE-regionen cirkel).
  6. När du uppmanas att mäta "luft spänning" på datorn, mäta spänningen på HF-lösningen genom att klicka på "OK" -knappen. I detta fall har luften ersatts av ledningsförmågan på HF-lösning.
  7. VARNING: Ta försiktigt bort behållare fylld med HF från scenen och placera den på dragskåp bänken. Försiktigt bort locket.
  8. VARNING: När locket har avlägsnats från behållaren, sänk den första kiselskiva i HF-lösningen med plast pincett. Placera tillbaka locket på behållaren.
  9. VARNING: Placera plastbehållaren tillbaka till livstid testare scenen och placera den över den induktiva spolen. Se till kiselskivan är centrerad över spolen (blå cirkel regionen).
  10. När du uppmanas att mäta "provspänningen" på datorn, klickar du på "OK" knappen igen. Ta bort behållaren från scenen och placera den på dragskåp bänken.
  11. VIKTIGT! Ta försiktigt r EFlytta kiselskivan från HF-lösningen med plast pincett och skölj skivan i den särskilda skölj bägare. Gör en slutlig sköljning under kranen i dragskåp.
  12. VARNING: Placera tillbaka locket på behållaren och placera behållaren tillbaka till livstid testare scenen.
  13. Upprepa steg från 3,6 till 3,12 tills alla prover har mätts.
  14. När alla prover har mätts, klickar du på "Fit uppgifter" knappen i kalibreringsfilen. Detta kommer att passa en parabolisk kurva till mätdata och ge kalibreringskoefficienter A, B och C som är specifika för denna inställning.
  15. På datorn öppnar livstid testare filen och klicka på fliken "Inställningar". Ange i de nya kalibreringskoefficienterna A, B och C för HF installationen. Spara filen under ett nytt namn.
    Obs: HF installationen kräver endast en kalibrering var 6 månader. Därför finns det inget behov av att kalibrera inställningen varje gång en mätning skall utföras.
jove_title "> 4. våtkemisk behandling av kiselskivor före mätning

  1. Bered standard ren 1 (SC 1).
    1. OBSERVERA: I alkalisk tilldelade dragskåp, tillsätt 185 ml ammoniumhydroxid (NH4OH) till 1,295 ml Dl-vatten i en 2 liters glasbägare.
    2. FÖRSIKTIGHET: Placera bägaren på en varm platta och värm H2O: NH4OH-lösning till en temperatur av ~ 50 ° C. Använd ett urglas för att täcka bägaren.
    3. FÖRSIKTIGHET: När H2O: NH4OH lösning har nått en temperatur av ~ 50 ° C, tillsätt 185 ml väteperoxid (H 2 O 2) och fortsätter att värma tills temperaturen når ~ 75 ° C. Denna H2O: NH4OH: H 2 O 2-lösning är känd som SC 1.
      Anm: SC 1 bör bytas dagligen för att effektivt rengöra kiselskivor.
  2. Bered standard rena 2 (SC 2).
    1. VARNING: I en syra tilldelas dragskåplägg 185 ml HCl till 1,295 ml Dl-vatten i en 2 liters glasbägare.
    2. FÖRSIKTIGHET: Placera bägaren på en varm platta och värm H2O: HCl-lösning till en temperatur av ~ 50 ° C. Använd ett urglas för att täcka bägaren.
    3. FÖRSIKTIGHET: När H2O: HCl-lösning har nått en temperatur av ~ 50 ° C, tillsätt 185 ml H2O 2 och fortsätter att värma tills temperaturen når ~ 75 ° C. Denna H2O: HCl: H 2 O 2-lösning är känd som SC 2.
      Obs: Byt SC 2 dagligen att effektivt rena kiselskivor.
  3. Förbered kiseletsningslösningen.
    1. I en alkalisk tilldelats dragskåp, tillsätt 1600 ml tetrametylammoniumhydroxid (TMAH) till en kemiskt ren 2 L glasbägare. Vänligen se avsnitt 6 om hur man kemiskt rengör bägaren före användning.
    2. Placera bägaren på en varm platta och värm TMAH-lösning till en temperatur av ~ 856; C. Använd ett urglas för att täcka bägaren.
      Obs! TMAH lösningen behöver inte förändras förrän det börjar kristallisera, det vill säga efter en månad.
  4. Utför den våta kemiska behandlingen.
    1. Belastningsprover i en kvarts vaggan och placera dem i en gemensam HF-lösningen i labbet. Koncentrationen är inte kritisk.
    2. Efter ~ 10 sek eller när proven blir hydrofoba (dra torr), ta bort vaggan från HF-lösningen och skölj med hjälp av 3 bägare fylld med avjoniserat vatten.
    3. Transportera vagga wafers till dragskåp där SC 1 har upprättats. När SC 1 har stabiliserats vid ~ 75 ° C, långsamt doppa vagga wafers i SC 1.
    4. Rengör skivorna i SC 1 för 10 min.
    5. Efter 10 minuter har gått, ta bort vaggan för wafers från SC 1 och skölj dem med tre 2 L glasbägare fylld med avjoniserat vatten. Kemiskt ren dessa glasbägare före fylla dem med avjoniserat vatten. Se avsnitt 6 påhur man kemiskt rena bägare.
    6. Efter sköljning, placera proven i en HF-lösning som är tillägnad endast för post SC 1 behandling. Koncentrationen är inte kritisk.
    7. Efter ~ 10 sek eller när proven blir hydrofoba (dra torr), ta bort vaggan från HF-lösningen och skölj med hjälp av 3 bägare fylld med avjoniserat vatten. Använd samma bägare som i steg 4.4.5.
    8. Transportera vagga wafers till dragskåp där SC 2 har upprättats. När SC 2 har stabiliserats vid ~ 75 ° C, långsamt doppa vagga wafers i SC 2.
    9. Rengör skivorna i SC 2 under 10 min.
    10. Efter 10 minuter har gått, ta bort vaggan för wafers från SC 2 och skölj dem med 3 bägare fylld med avjoniserat vatten. Använd samma bägare som i steg 4.4.5.
      Obs: Vaggan för wafers kan lagras i en av de skölj bägarna fyllda med DI-vatten till följande dag.
    11. Efter sköljning, placera proven i en HF-lösning som är tillägnad endast för postSC 2 bearbetning. Koncentrationen är inte kritisk.
    12. Efter ~ 10 sek eller när proven blir hydrofoba (dra torr), ta bort vaggan från HF-lösningen och skölj med hjälp av 3 bägare fylld med avjoniserat vatten. Använd samma bägare som i steg 4.4.5.
    13. Transportera vagga wafers till dragskåp där TMAH lösningen har upprättats. När TMAH lösningen har stabiliserats på ~ 85 ° C, långsamt doppa vagga wafers i TMAH lösningen.
    14. Etsa wafers i TMAH under 5 min. Detta tar bort ~ 5 pm av kisel.
    15. Efter fem minuter har gått, ta bort vaggan för wafers från TMAH lösningen och skölj dem med 3 bägare fylld med avjoniserat vatten. Använd samma bägare som i steg 4.4.5. Mer än 3 sköljningar kan behövas som TMAH är ganska "klibbiga".
    16. Transportera vagga wafers i avjoniserat vatten till dragskåp där experimentet har ställts in. Se avsnitt 1.1.
    17. Mät framställda kiselskivor inom 2 h efter stes 4.4.16.

5. Mätning ordningen

  1. Applicera all nödvändig skyddsutrustning.
  2. Fyll två 2 L plastbägare med avjoniserat vatten och placera dem i dragskåp. Dessa kommer att användas för att skölja kiselprover efter mätningen.
  3. Placera plast pincett till en tom 500 ml plastbägare och plats inne i dragskåp nära skölj bägare. Dessa pincett kommer att användas för att hantera kiselprover.
  4. På datorn öppnar livstid testare filen. Se till att filen innehåller rätt kalibreringskoefficienter för HF mätning ställa in. Se avsnitt 3.
  5. I livstid testare filen, välj "Transient" -läge. Ange detaljerna i kiselskivan, som skall mätas, exempelvis tjocklek, resistivitet och dopningsmedelstyp.
  6. VARNING: Placera behållaren (locket på) fylld med HF på scenen av livstids testare och centrera den över den induktiva spolen (blå cirkel region). Låt lösningen settle för1 min.
  7. På datorn klickar du på "Zero instrument" knappen i livet testare filen. Detta kommer att mäta spänningen av lösningen.
    Obs: Med tiden kommer lösningen spänningen minska på grund kompositionen av lösningen förändras med tiden. Oberoende av detta, inte HF-lösningen inte visar någon försämring i sin passive kvalitet, vilket är anledningen till lösningen kan användas för 1-2 månader utan att ändras.
  8. VARNING: Ta försiktigt bort behållaren från livstid testare scenen och placera den på dragskåp bänken.
  9. VARNING: Ta försiktigt bort locket från behållaren fylld med HF-lösning. Om det finns någon kondensation på locket, försiktigt skölja locket i avjoniserat vatten med användning av kranen i dragskåp.
  10. VIKTIGT! Ta försiktigt doppa den första kiselskiva i HF-lösning. Med användning av de plastpincett, lätt trycka ner på kiselskivan för att säkerställa att det sitter på botten av behållaren.
  11. Skölj pincetts och placera dem tillbaka i den tomma 500 ml plastbägare.
  12. VARNING: Placera försiktigt tillbaka locket på behållaren och sedan placera behållaren på livstid testare scenen. Se till kiselskivan är placerad över den induktiva spolen (blå cirkel regionen).
  13. Skölj och torka handskar. Ta bort dem innan du använder datorn.
  14. Om fluorescerande ljus i dragskåp är på, måste den vara avstängd innan en mätning ska bedrivas. Minsta ljus krävs under mätningen.
  15. Slå på halogenlampan på, och se till att den belysning av kiselskiva genom locket på plastbehållare. Tid för ett min (den exakta tiden är icke kritisk).
  16. Under belysningsperioden, klicka på "Measure" knappen i livstid fil på datorn. Ett litet fönster märkt "Med uppgifter" kommer att visas.
  17. I "Ta uppgifter" fönster, skriv in ett namn för filen. Under "provmedelvärdes sutvalda 10.
  18. När kiselskivan har belyst under 1 minut, stänga av halogenlampan av och klicka omedelbart "Average" -knappen i "Ta uppgifter" fönstret. Livslängden testare blinkar 10 gånger och i genomsnitt mätningarna livstid.
    Anmärkning: När halogenlampan är avstängd, kommer passivering av kiselskivan börjar att nedbrytas, och följaktligen är det viktigt att mäta omedelbart efter belysning för att uppnå bästa resultat.
  19. När medelvärdes är klar klickar du på "OK" -knappen i "Ta uppgifter" fönstret.
  20. Om en ny mätning krävs, upprepa steg från 5,15 till 5,18.
  21. VARNING: När mätningen är klar, ta bort behållaren från livstid testare scenen och placera den på dragskåp bänken.
  22. VARNING: Ta försiktigt bort locket från behållaren fylld med HF-lösning. Om det finns någon kondensation på locket, försiktigt skölja locket i avjoniserat vatten med användning av kraneni dragskåp.
  23. VARNING: Ta försiktigt bort kiselskivan från HF-lösningen med plast pincett och skölj skivan i den särskilda skölj bägare. Gör en slutlig sköljning under kranen i dragskåp.
  24. Om fler prover ska mätas, upprepa steg från 5,10 till 5,23.
  25. När väl alla prover har mätts, säkerställa locket placeras på behållaren och förvara HF-lösningen i dragskåpet. Se till att behållaren är korrekt märkta.
  26. Skölj alla bägare och pincett och lagra dem i sina tilldelade platser i laboratoriet.
  27. Låt livstid testaren att stanna kvar i dragskåp i 1 h efter användning och ta sedan bort den från dragskåpet.

6. Kemisk Rengöring av Bägare och containrar

  1. I en alkalisk tilldelats dragskåp, förbereda en SC 1 lösning som beskrivs i avsnitt 4.1.1-4.1.4.
  2. Kemiskt rena bägare och behållare, häll SC 1 lösning i bägare / behållare. Bägare Kalifornienn endast rengöras en i taget.
  3. Låt lösningen rengöra bägaren / behållaren under 10 minuter. Om bägaren / behållaren är av plast, kan den inte placeras på en varm platta, och därför SC en lösning kommer att kyla under ren. Detta påverkar inte rengöringsprocessen.
  4. Efter 10 minuter, häll SC 1 lösningen i en annan bägare / behållare om de kräver rengöring också. Annars låt SC 1 lösningen svalna i en stor bägare. När svalnat kan SC 1 hällas i vasken med rinnande vatten.
  5. Skölj SC 1 rengöras bägare / container i DI vatten.
  6. I en syra tilldelas dragskåp, förbereda en SC 2 lösning som beskrivs i avsnitt 4.2.1-4.2.4.
  7. Häll SC 2 lösningen i bägaren / behållare från steg 6,5. Låt lösningen rengöra bägaren / behållare för 10 min.
  8. Efter 10 minuter, häll SC 2 lösningen i en annan bägare / behållare om de kräver rengöring också. Annars låt SC 2 lösningen svalna i en stor bägare. När svalnat, SC 2 kan hällas ner tHan handfat med rinnande vatten.
  9. Skölj SC 2 rengöras bägare / container i DI vatten. Bägaren / behållaren nu kemiskt rengöras.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1a visar en schematisk och figur 1b visar ett fotografi av experimentuppställningen. När en kiselskiva nedsänktes i HF-lösning, därefter placeras på livstid testaren steget och en mätning utförs (före belysning), en livstid kurva som begränsas av ytan rekombination kommer att resultera, såsom visas av de blå trianglarna i fig 2. När emellertid provet belyses under 1 minut (medan nedsänkt i HF), såsom visas i fig 1, och en mätning utförs omedelbart efter belysning, kommer en ökning i livstid uppträder, såsom visas av de röda cirklar i figur 2. Denna ökning i livstid efter belysnings resultat på grund av en reduktion i yta rekombination, och således de röda cirklar i figur 2 representerar den livstid som nu begränsas av bulk rekombination och inte ytan. Ökningen av livstids post belysning kommervarierar från prov till prov, men om tekniken fungerar korrekt, en ökning av livslängden bör alltid inträffar under förutsättning att huvuddelen livstid inte är låg (<100 ^ sek), varigenom en eventuell minskning av ytan rekombination genom belysning inte kommer att förbättra livet eftersom bulk rekombination blir dominerande.

Även bulk livslängd uppnås efter belysning av kiselskivan för en minut 19, är ytan passive tillfälliga och kommer att börja att brytas ned inom några sekunder efter halogenlampan har stängts av. Därför är det viktigt att mätningar görs direkt efter belysnings period för att uppnå den lägsta ytan rekombination, vilket framgår i Figur 3. De röda cirklar i figur 3 motsvarar till livstid när provet mäts direkt efter att lampan är avstängd , och de blå cirklarna motsvarar livslängden när provet mäts en min efter illumination period. Av figuren är det uppenbart att den höga nivån på ytpassivering är temporär och degraderas inom sekunder av belysningskällan bryts. Därför är det absolut nödvändigt att en mätning utförs direkt efter belysning för att uppnå bulk livslängd kiselskiva. I motsats härtill fig 3 visar också att även när livstid försämrar (blå cirklar), det helt kan återvinnas genom belysning av kiselskivan återigen. Denna process kan upprepas många gånger utan någon permanent ökning av ytan rekombination som visas i figur 3.

För att säkerställa att tekniken fungerar korrekt varje gång en mätning görs, bör kontroll kiselskivor användas. Styrkiselskivor representerar prover som har uppmätts av teknik flera gånger och har producerats samma livslängd varje gång. Kontrollproven ska alltid genomgå samma våtkemisk pretreatment som proven som skall mätas. Före mätning av bulklivstiden av kiselskivor, bör kontrollproverna mätas först. Alltså, om deras livstid inte är inom ± 20% av deras tidigare livstidsmätning, har ett problem uppstått och mätningen bör avbrytas tills problemet är löst. Tvärtom, om kontrollprover producerar livs inom ± 20% av deras tidigare uppmätt livslängd, kan mätningarna fortsätta. I vissa fall kommer den största delen livslängd av proverna vara låg, och således den uppmätta livslängden före och efter belysning kommer att vara samma, i motsats till figur 2. I detta fall, även om belysning fortfarande kommer att minska ytan rekombination, ingen förbättring i livstid efterbelysning kommer att observeras, eftersom bulk rekombination är mycket högre än ytan. Vid mätning av ett prov som denna, kan jämförelse med en kontrollgrupp skiva klarlägga om det finns ett problem med mätningen setup eller den uppmätta rånet simskikt har en mycket hög bulk rekombination.

För att demonstrera att HF-passive uppnår mätningar av bulk livstid, FZ 1 Ω-cm n -. Och p -typ kiselskivor var passive med ALD Al 2 O 3 och PECVD sinx, såsom visas i figur 4 Figur 4 visar att för både doping typer, kan HF passive uppnå samma livslängd som uppnås med Al 2 O 3 och SiN x filmer. Den lägre livslängd uppnås genom SiNx filmen på p -typ provet beror på utarmningsregionen rekombination orsakas av positiv laddning som finns i SiNx filmen. Däremot utarmningsområdet rekombination, i förekommande fall, verkar inte signifikant påverka livslängden mätning av antingen n - eller p -typ kisel när du använder HF passive tekniken 9,17,18. Detta gör också den teknik som önskvärda för att analysera mass defsp, eftersom varje injektion beroende observeras från livstid mätning kan tillskrivas bulk rekombination och inte ytan.

Figur 1
Figur 1. HF passive setup. (A) schema över ljus förstärkta HF passive och mätning installation 17. Återges med tillstånd från J. Solid State Sci. Technol., 1 (2), P55 (2012). Copyright 2012, The Electrochemical Society. (B) Ett fotografi av installationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Förbättring av ytpassivering genom il lumination. Effektiv livslängden för en hög resistivitet kiselskiva nedsänkt i 15% HF, före (blå trianglar) och direkt efter (röda cirklar) belysning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Nedbrytning av ytpassivering efter belysning. Effektiv livslängd 5 Ω cm n -typ kiselskiva nedsänkt i HF direkt efter belysning (röda cirklar) och 1 min efter belysning (blå cirklar). Figuren visar hur passive kan utvinnas genom efterföljande belysning steg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 4
Figur 4. Jämförelse med andra dielektriska filmer Effektiv / bulk livslängd FZ 1 Ω cm n -. Och p -typ kiselskivor passive med HF (orange cirklar), PECVD SiN x (gröna rutor) och ALD Al 2 O 3 (blå diamanter). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ett framgångsrikt genomförande av livstids mättekniken bulk kisel som beskrivits ovan bygger på tre viktiga steg, (i) kemiskt rengöring och etsning av kiselskivor, (ii) nedsänkning i en 15% HF-lösning och (iii) belysning för 1 min 17, 18,19. Utan dessa steg, kan bulk livstid inte mätas med säkerhet.

Som vilken mätteknik genomföres vid RT, är ytpassivering kvalitet mycket mottagliga för ytkontaminering (metaller, organiska filmer). Således för att effektivt avlägsna ytföroreningar, är en SC en lösning som användes (H2O: NH4OH: H 2 O 2) 20. När kiselskivorna nedsänkes i SC 1, avlägsnar lösningen organiska ytfilmer från oxidativ nedbrytning och upplösning, tillsammans med metallföroreningar såsom, guld, silver, koppar, nickel, kadmium, zink, kobolt och krom 20. Post SC 1 rengöring, är det möjligt att some spårelement förblir instängd i den vattenhaltiga oxidfilmen till följd av den rena, och därför en HF dopp krävs för att avlägsna filmen. Efter en HF-dopp är de kiselytor rengörs sedan i SC 2 (H2O: HCl: H 2 O 2) 20. Medan SC en avlägsnar de flesta föroreningar effektivt, är SC 2 utformad för att avlägsna alkali-joner och katjoner, såsom aluminium, järn och magnesium. Dessutom kommer SC 2 även ta bort alla andra metalliska föroreningar som inte togs bort i SC 1. Efter en SC 2 ren, kan skivorna vara HF doppas för att avlägsna den vattenhaltiga oxidfilmen. När kiselskivor har rengjorts av ytföroreningar från SC 1 och SC 2, kräver de en kort yta etsning i TMAH. TMAH är en anisotropisk etsning lösning, vilket innebär att det bara etsar längs (111) kristall slätter. Därför under kemisk etsning, är små kisel pyramider bildas på ytorna, exponera (111) slätter, som luckrar ytorna och bidrar till att förbättra väte täckning när jagmmersed i HF 21,22. Därför, med en optimerad ytbeskaffenhet, kan ytan rekombination vara hämmade när de behandlade kiselskivor är nedsänkta i HF och därefter upplyst.

Optimering av HF-lösningen undersöktes i vår tidigare offentliggörande 17. Det visade sig att när kiselskivor är nedsänkta i 15% -30% HF, är den lägsta ytan rekombination uppnås. Detta beror på att HF-koncentrationen är tillräckligt hög för att passivera de flesta av kiseldinglande bindningar med väte, och åstadkommer en fälteffektpassivemekanism genom att behålla en hög ytladdning som orsakas av en skillnad i kisel Ferminivån och potentiell minskning av HF-lösning 23 . Valet av 15% HF var av säkerhetsskäl. En annan viktigt tillskott till HF-lösningen var införandet av HCI. Genom att tillsätta en liten mängd av HCl i HF-lösningen 15%, är vätekoncentrationen i HF-lösningen ökade, vilket i sin tur ökar amount väte tillgänglig för ytpassivering av kiselskivor, vilket gör att merparten kisel livstid att erhållas efter belysning 23.

Belysning av kiselskivor nedsänkta i HF kan avsevärt förbättra ytpassivering genom att skapa ytterligare bindningar med kemiska species i lösningen genom elektron och hål överföring över kisel / HF-gränssnittet 23,24. Det finns ett antal av kemiska bindningar som kan bilda på kisel / HF-gränssnitt, såsom Si-H, Si-OH- och Si-F 23 - 27. Passivering av kisel nedsänkt i HF har visat sig i första hand komma från skapandet av Si-H-bindningar, som anses vara en av de mest stabila bindningar när kisel är nedsänkt i HF 26,27. Men medan ytpassivering förbättras efterbelysning, såsom visas i fig 3, är passive känt att brytas ned inom några sekunder efter det att belysningskällan har avslutats. Derefore det är osannolikt den förbättrade passive efter belysning beror främst på att skapa stabila Si-H-bindningar, som passive inte ska försämras om så vore fallet. Snarare antas att den förbättrade ytpassivering kommer från skapandet av instabila bindningar med hydroxylgrupper (Si-OH) och fluor (Si-F) 26.

Medan de tre kritiska stegen ovan är utformade för att ge bästa resultat, det finns omständigheter där mätningen kan ge felaktiga resultat. I de flesta fall är den sannolika felkällan ytkontaminering, som kan komma från förorenade kemiska lösningar eller ett dåligt filtrerad DI systemet. Under dessa förhållanden, är det bäst att testa DI-vatten systemet med en ledningsmätare. Om avjoniserat vatten inte är korrekt filtreras, kräver systemet förändras innan några mätningar ska utföras. Detta kommer också att påverka andra lab processer och därmed äventyras DI vattensystem kommer att påverka alla.Tvärtom, om avjoniserat vatten ger en vettig behandlingen konduktivitetsmätaren, eventuella föroreningskällor är TMAH lösningen eller HF-lösning 15% (SC 1 och SC 2 kommer inte att äventyras). I detta fall är det bäst att dekantera lösningarna, kemiskt rena (SC 1 och 2) behållarna och förbereda nya lösningar. Dessutom, om kiselskivor har förorenats av en lösning, kommer de att kräva SC 1 och SC 2 rengöringen flera gånger innan ytorna är rena. För att undvika kontaminering lösning och därmed felaktiga mätningar livstid, är det bäst att förbereda TMAH och HF lösningar som endast används för denna teknik (och inte genom andra processer i laboratoriet). En annan källa till ytkontamination kan komma från dielektriska eller metallfilmer som tidigare avsatts på kiselskivan. Således om skivorna har genomgått en dielektrisk eller metallavsättning, ytorna kräver sanering och kisel etsning före trestegsprocess av bulk livtidsmätningsteknik.

Även om tekniken är både enkel och tidseffektivt, användning av HF-syra begränsar tekniken till ett dragskåp. Oberoende av detta, ger tekniken motsvarande ytpassivering till de bästa passive dielektriska filmer i världen (SiN x: H, Al 2 O 3 och -Si: H) dessutom denna teknik inte kräver någon komplicerad maskiner, inte heller det kräver förhöjda temperaturer. Eftersom renheten av kiselskivor förbättras, i en strävan att förbättra solcells effektivitet, kommer defekta koncentrationer minskar och därmed deras rekombination aktivitet blir svårt att mäta med hjälp av tekniker såsom djup nivå gående spektroskopi och FTIR. Därför är det förväntas att minoritetsbärare livstidsmätningar som innehåller en RT vätske ytpassivering teknik kommer att vara absolut nödvändigt för att pröva bulkkiseldefekter när deras koncentration är låg(<10 12 cm -3).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 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
Dell workstation with Microsoft Office Pro, Data acquisition card and software including Sinton Software under existing license. Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com
Halogen optical lamp, ELH 300 W, 120 V 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 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Dauwe, S., Schmidt, J., 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Hallam, B., et al. Hydrogen passivation of B-O defects in Czochralski silicon. Energy Procedia. 38, 561-570 (2013).
  11. Hallam, B., et al. Advanced bulk defect passivation for silicon solar cells. IEEE J. Photovoltaics. 4 (1), 88-95 (2014).
  12. 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).
  13. 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. 17.th. NREL Crystalline Silicon Workshop, , (2007).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Grant, N. E. Surface passivation and characterization of crystalline silicon by wet chemical treatments. , (2012).
  20. Kern, W. The evolution of silicon wafer cleaning technology. J. Electrochem. Soc. 137 (6), 1887-1892 (1990).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Kolasinski, K. The mechanism of Si etching in fluoride solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 5 (6), 1270-1278 (2003).
  26. 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).
  27. Zhang, X. G. Electrochemistry of silicon and its oxide. , Kluwer Academic Publishers. (2001).

Tags

Engineering Bulk livstid defekter fluorvätesyra belysning passive photoconductance rekombination.
Ljus Enhanced fluorvätesyra Passive: En känslig teknik för att upptäcka Bulk Silicon Defekter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Grant, N. E. Light Enhanced… More

Grant, N. E. Light Enhanced Hydrofluoric Acid Passivation: A Sensitive Technique for Detecting Bulk Silicon Defects. J. Vis. Exp. (107), e53614, doi:10.3791/53614 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter