Возможности легирования мультикристаллического кремния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Возможности легирования мультикристаллического кремния

И.Н. Радченко

И.С. Кутовой

Использование альтернативных источников энергии обусловливает возросший интерес к производству солнечных фотоэлементов на основе полупроводникового кремния. В последнее время все больше внимания уделяется острой проблеме недостатка запасов кремния с требуемыми параметрами и их получения с минимальными затратами.

В статье приведены результаты анализа и обсуждение литературных данных, посвященных последним тенденциям в области использования компенсированного кремниевого сырья при росте слитков мультикристаллического кремния (mc-Si). Рассмотрены положительные и отрицательные аспекты влияния эффекта компенсации на фундаментальные электрофизические свойства кремния и фотопреобразователей на его основе. Описан метод тройного легирования слитков мультикремния бором, фосфором и галлием. Такое сочетание легирующих примесей дает возможность исключить инверсию типа проводимости и добиться требуемого профиля удельного электрического сопротивления по длине слитка мультикремния. кремний слиток компенсированный

В настоящее время основным сырьем является так называемый SG кремний (Solar Grade). Данный вид сырья получают с использованием металлургических методов очистки кремния. В SG-кремнии содержатся фосфор и бор, т.е. примеси различных типов проводимости, что позволяет считать данное сырье в той или иной степени компенсированным. Изучение влияния компенсации на свойства mc-Si слитков и фотопреобразователей на их основе является одной из тенденций в решении проблемы нехватки достаточных количеств качественного кремниевого сырья.

Компенсация примеси безусловно может дать некоторые преимущества. Например, она может служить низкозатратным методом повышения удельного сопротивления исходного сырья одного типа проводимости за счет дополнительного легирования его примесью другого типа. При этом уменьшается равновесная концентрация основных носителей заряда и, частично, количество центров рекомбинации, что и приводит к росту удельного электрического сопротивления (УЭС). С другой стороны, влияние эффектов компенсации на другие фундаментальные электрофизические свойства либо неясно, либо еще недостаточно изучено. В частности, предметом постоянных обсуждений [1-3] является влияние компенсации на время жизни неосновных носителей заряда в образцах, что напрямую влияет на эксплуатационные характеристики фотопреобразователей.

При использовании сырья низкого качества [4, 5] были получены результаты, которые показали положительный эффект компенсации легирующей примеси с точки зрения ее влияния на диффузионную длину неосновных носителей заряда. Это позволяет сделать вывод о возможности использования сырья p-типа с высоким содержанием бора при условии его компенсации требуемым количеством примеси n-типа (например, фосфора). Дополнительным "бонусом" при этом является возможность существенного уменьшения расходов на предварительную очистку кремниевого сырья, а также допустимость использования в процессах роста отходов производства, ранее считавшихся "невозвратными" из-за высокого содержания в них основной легирующей примеси.

Значения основных электрофизических параметров кремниевого сырья (величины УЭС и времени жизни неосновных носителей заряда) напрямую зависят от величины разностной концентрации носителей p- и n-типов проводимости (акцепторов, , и доноров, ),

.

Поэтому для достижения более высокого уровня компенсации и, соответственно, для более существенного повышения величины УЭС, необходимо большее содержание фосфора в исходной загрузке. Это, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности инверсии типа проводимости по длине растущего слитка и к уменьшению выхода годного продукции с требуемыми параметрами.

На рисунке 1 приведены результаты расчета распределения легирующих примесей (бора и фосфора) по длине слитка кремния при инверсии p-типа проводимости в n-тип. Распределения примесей рассчитаны по формуле:

Здесь - концентрация примеси в кристалле; - эффективный коэффициент распределения примеси в расплаве кремния; - начальная концентрация примеси в расплаве кремния. Начальные концентрации бора и фосфора равны, соответственно, и . При данных концентрациях бора и фосфора в исходной загрузке инверсия типа проводимости (вертикальная линия на рис.1) наступает при величине доли закристаллизовавшегося слитка . Поскольку верхняя часть слитка мультикристаллического кремния выводится из процесса, желательно, чтобы инверсии типа проводимости не происходило, по крайней мере, до величины Данное требование существенно снижает допустимый уровень легирования исходного сырья бором для его последующей компенсации фосфором. Расчеты показали, что достижение величины УЭС возможно при снижении начальных концентраций B и P до значений 0,45 ppmw и 1 ppmw, т.е. существенно ниже представленных на графике.

Рис. 1. Кривые распределения бора, фосфора по длине mc-Si слитка.

Вариант решения данной проблемы подробно описан в [6] и заключается в дополнительном легировании загрузки состава "кремний-бор-фосфор" галлием. Введение в загрузку галлия позволяет добиться практически плоского профиля вплоть до Инверсии типа проводимости в данном случае не происходит.

Компенсация кремния при его тройном легировании бором, фосфором и галлием является одним из перспективных направлений, позволяющих во многом решить проблему нехватки качественного сырья для роста слитков мультикристаллического кремния, а также регулировать параметры материала по длине слитка с большей точностью.

Список литературы

[1] Kraiem J., Drevet B., Cocco F., Enjalbert N., Dubois S., Camel D., Grosset-Bourbange D., Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Hawaii, USA, 2010.

[2] S Dubois S., Enjalbert N., Appl. Phys. Lett. 93, 032114 (2008).

[3] Macdonald D., Rougieux F., Cuevas A., Lim B., Schmidt J., Di Sabatino M. and Geerligs L. J., J. Appl. Phys. 105, 093704 (2009).

[4] Enebakk E., Sшiland A. K., Hеkedal J. T., in: 3rd Intenational Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells, SINTEF/NTNU, Trondheim, Norway, 2009.

[5] Kraiem J., Einhaus R. and Lauvray H., World patent WO/2009/130409.

[6] Forster M., Fourmond E., Einhaus R., Lauvray H., Kraiem J., Lemiti M. Doping Engineering to increase yield during crystallization of B and P compensated Silicon. /[Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL:http://www.researchgate.net/publication/267559211_Doping_engineering_to_increase_the_material_yield_during_crystallization_of_B_and_P_compensated_silicon.

Размещено на Allbest.ru