Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
При выращивании кристаллов методом зонной плавки примеси накапливаются в зоне плавления, поскольку скорость их захвата зоной плавления пропорциональна N0dx, в то время как на затвердевающем конце слитка скорость захвата пропорциональна k0NLdx. Соотношение, характеризующее удаление примеси из слитка, имеет вид
Л$(*) =No{l -(1 -*0)ехр[—*о*/*']}, (4.3)
где х' — длина зоны плавления; х — расстояние вдоль слитка. Распределения концентраций примеси вдоль слитка, построенные на основе этого соотношения, показаны на рис. 4.5. При однократном цикле зонной плавки примесь удаляется не так эффективно, как при выращивании кристаллов методом Чохральского, однако для очистки кристалла легко осуществить многократные циклы зонной плавки.
154
Т а б л и ц а 4.1. Коэффициенты сегрегации примесей, пределы растворимости
Тип примеси Коэффициент сегрегации Предел растворимости, см Допустимые концентрации, см"3*
Легирующие примеси
О 0,5-1,О*2 2-1018** _
С 0,07*3 9-1017 _
В 0,8*4 -
А1 0,002*1 2-10 -
Ga 0,008*1 - -
In 0,004*1 — -
Р 0,35*1 — -
As 0,30*1 _ —
Sb 0,023 *‘ ю19*2 -
Li 0,01* 2 - -
Примеси, уменьшающие
время жизни избыточных
носителей заряда
Аи — - 7-Ю14
Сг </> 1 О 5101S 5-1015
Си 4-10 1017 l-Ю15
Fe 8 10"6 3-1016 1-1015
Mg 2-10'3 5-1018 210IS
Mn 10~s 4-1016 2-1016
Na 210'3 9-1018 2-1014
Ni 10"4 1017 4-1016
Ti 10' 5 101S 4-1013
V 10' 5 5-10IS 1-1014
Zr _ _ 4-1013
С - - 1-1017
*1 Данные относятся к концентрациям, допустимым при изготовлении солнеч-
ного элемента с КПД 10% из кремния с удельным сопротивлением 0,5 Ом-см, леги-
рованного бором, и взяты из работы Hill D. E. e. a.// Proc. 12th IEEE Photovoltaic
Specialists Conf., 1976.
*2 Runyan W. R., Silicon Simiconductor Technology. New York: McGrow-Hill, 1965.
*3 Hill D. E., Gutsche H. W., Wang M. S.// 12th IEEE Photovoltaic Specialists Conf.,
1976. Более полные данные о температурной зависимости примесей в кремнии содер-
жатся в статье Trumfore F. A.// J. Bell Syst, Tech., 1960, vol. 39.
*4 Hovel H. J., Solar Cells Semiconductors and Semimetals. New York: Academic
Press, 1975, vol. 11.
При необходимости введения в кристалл легирующей примеси оценить ее концентрацию Ns в кристалле можно с помощью соотношения
Ns=k0Nd е\р(-к0х/х'), (4.4)
где Nd — исходная концентрация примеси в зоне расплава.
Для постоянства Ns вдоль слитка необходимо, чтобы концентрация в зоне расплава была постоянной, а коэффициент сегрегации в отличие от коэффициента по методу Чохральского был мал. Для выполнения зтих сложных условий согласно одному из способов до зонной плавки вдоль слитка создают распределения примесей по пилообразному закону,
155
0,06
о.оь
о,ог
0,01
о, г
0,1
1,0
о,в
ол
г
“'“'о 12 3^567 х/х'
.-__________
О 0,1 0,2 0,3 Ofi 0,5 0,6 0,7 0,1 Of Допя затвердевшего расплава г
Рис. 4.4. Зависимость концентрации примеси, остающейся в расплаве при выращивании кристалла методом Чохральского, от доли z затвердевшего расплава. Для всех кривых N0 = 1
Рис. 4.5. Распределение концентрации Ns примеси вдоль слитка, подверженного зонной очистке. Для всех кривых N0 = 1, расстояние х вдоль слитка нормировано иа ширину зоны плавления х'
поэтому в процессе зонной плавки происходит пополнение легирующей примесью. Среди других способов — добавка в выращиваемую среду газообразной примеси, например в виде РН3 или В2Н6, или нейтронно-грансмутационное легирование.
В процессе роста примесь непрерывно удаляется с фронта кристаллизации и диффундирует в объем расплава, вследствие чего вблизи фронта кристаллизации появляется концентрационный градиент. Это приводит к эффективному увеличению коэффициента сегрегации к, зависящему от скорости роста и перемешивания (рис. 4.6). Для общепринятых скоростей роста и перемешивания отношение кэфф/к0 может варьироваться от 1 до 4 [Runyan, 1965].
4.2.4. Зонная плавка
В процессе зонной плавки, являющейся модификацией метода зонной очистки, предложенного Пфаном, происходит медленное перемещение узкой области расплава вдоль кремниевого слитка, помещенного в ва-
156
Рис. 4.6. Схематическое изображение концентрационного распределения примеси, объясняющее увеличение эффективного коэффициента сегрегации вследствие диффузии примеси вблизи продвигающегося фронта рекристаллизации
ж
куум или инертную среду. Слиток размещают в вертикальном положении и нагревают с помощью высокочастотного индуктора. Расплавленная зона удерживается за счет поверхностного натяжения и эффекта левитации в высокочастотном поле. Условия, накладываемые на температурные градиенты в кольцевых и радиальных направлениях, такие же, как и при выращивании кристаллов методом Чохральского.
Более высокая степень очистки кристаллов, выращенных методом зонной плавки, обусловлена отсутствием загрязнений, связанных с тиглем; в частности, содержание кислорода может быть снижено в 20— 100 раз. По сравнению с кристаллами, выращенными методом Чохральского, наблюдается также возрастание времени жизни и подвижности носителей заряда.
