Выращивание, структурные особенности и свойства монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Афанасова, Ирина Владимировна

• Афанасова, Ирина Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Афанасова, Ирина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Двойникование в кристаллах

1.2. Двойникование в алмазоподобных полупроводниках, модели строения плоскостей и границ двойникования

1.3. Механизмы двойникования

1.3.1. Двойники роста

1.3.2. Механические двойники

1.4. Влияние когерентных плоскостей двойникования первого порядка и некогерентных границ двойникования второго порядка на физические свойства кристаллов

1.5. Использование двойниковых кристаллов в приборных структурах

1.6. Солнечные элементы на основе кремния и их параметры

1.7. Цели и задачи работы

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Выращивание монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой

2.2. Измерение времени жизни неосновных носителей заряда

2.3. Измерение коэффициента Холла, удельного сопротивления и расчет концентрации основных носителей заряда и их подвижности

2.4. Измерение коэффициента поглощения в ИК-области и определение концентрации кислорода

2.5. Селективное травление

2.6. Рентгенографические исследования

2.6.1. Снятие кривых качания

2.6.2. Снятие рентгеновских топограмм

2.7. Лазерная микрозондовая масс-спектрометрия

2.8. Проведение термообработок

2.9. Изготовление солнечных элементов

2.10. Облучение солнечных элементов быстрыми электронами

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РОСТА И СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ С ЗАДАННОЙ ДВОЙНИКОВОЙ СТРУКТУРОЙ

3.1. Выращивание монокристаллов с двойниковой структурой

3.1.1. Выращивание монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой, легированных бором и бором и германием совместно

3.1.2. Выращивание монокристаллов кремния, содержащих только границу двойникования второго порядка

3.2. Модель строения границы двойникования второго порядка типа {221 }/{221}

3.3.Объекты исследования

3.4. Структурные особенности монокристаллов кремния с двумя плоскостями двойникования первого порядка и одной границей двойникования второго порядка

3.4.1. Выявление дефектов структуры с помощью селективного травления

3.4.2. Кривые качания

3.4.3. Рентгенотопографические исследования

3.4.4. Лазерная микрозондовая масс-спектрометрия

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ С ЗАДАННОЙ ДВОЙНИКОВОЙ СТРУКТУРОЙ И ОПРОБОВАНИЕ ИХ В СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

4.1. Физические свойства монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой

4.1.1. Свойства образцов монокристаллов Si<B>, Si<B,Ge> с заданной двойниковой структурой

4.1.1.1 .Влияние границы двойникования на подвижность дырок

4.1.2. Свойства образцов Si<B>, Si<B,Ge> после термообработки при 350 °С

4.1.3. Свойства образцов Si<B> после термообработки при 700 °С

4.1.4. Свойства образцов Si<B> после двухступенчатой термообработки 350 °С, 50 ч -» 700 °С, 5 ч 122 4.2. Изготовление солнечных элементов на монокристаллах Si<B>, Si<B,Ge> с заданной двойниковой структурой 124 4.2.1. Характеристики и параметры солнечных элементов, в том числе после облучения быстрыми электронами

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выращивание, структурные особенности и свойства монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой»

Работа посвящена изучению монокристаллов кремния, содержащих две плоскости двойникования первого порядка и границу двойникования второго порядка. Этот новый материал для солнечной энергетики был разработан в 1992 году Дж. Мартинелли и Р.В. Кибизовым и назван авторами -"трёхзёренные монокристаллы кремния" /1/. В диссертационной работе для обозначения этих монокристаллов применяется термин - монокристаллы кремния с заданной двойниковой структурой. Они были выращены методом Чохральского в направлении <110> на специально приготовленных затравочных кристаллах. Затравочные монокристаллы содержали две плоскости двойникования первого порядка и одну границу двойникования второго порядка.

Интерес к этому материалу обусловлен рядом его особенностей, в том числе возможностью осуществления резки этих кристаллов на очень тонкие пластины и тем самым снижением массы пластин, что важно для приборных структур, работающих в условиях космического пространства.

Качество и нормальное функционирование полупроводниковых приборов в определённой степени зависит от структурного совершенства используемого материала. Плоскости и границы двойникования, несомненно, представляют собой дефекты кристаллической решётки и как дефекты могут оказывать влияние на структурно - чувствительные электрические свойства /2-6/. Но с помощью дефектов, вводимых в кристаллы в необходимых концентрациях, можно управлять их параметрами, в частности, в ряде случаев повышать их радиационную стойкость.

Однако, свойства монокристаллов кремния с двумя плоскостями двойникования первого порядка и одной границей двойникования второго порядка не достаточно полно исследованы. Поэтому настоящая работа направлена на выявление особенностей легированных монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой с целью повышения эффективности процессов получения и использования этого материала приборных структурах.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Афанасова, Ирина Владимировна

выводы

На основании проведенных исследований структурных особенностей, физических свойств, легированных бором (Ыв~1015-И016 см"3), и бором и германием совместно (nge=1020 см"3, Nb=1015 см"3), монокристаллов кремния, содержащих две плоскости двойникования первого порядка и одну границу двойникования второго порядка, выращенных в направлении <110>, могут быть сделаны следующие выводы:

1. Установлено, что устойчивость роста в [110] монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой обеспечивает "тройной стык" (стык двух плоскостей двойникования первого порядка {111}/{111} и одной границы двойникования второго порядка {221}/{221}).

2. Разработана модель строения границы двойникования второго порядка {221}/{221}, в соответствии с которой, граница некогерентна и не является геометрической плоскостью. На основании структурных исследований установлено, что граница двойникования второго порядка {221}/{221} построена из дислокаций.

3. Установлено, что при Т=77К в области границы двойникования второго порядка происходит уменьшение подвижности дырок, за счёт

1 /г -J увеличения числа центров рассеяния (при Nb=10 см' Рдырок =3100 л см /В с на образце без границы двойникования второго порядка {221}/{221},

Рдырок —1500 см /В с на образце, содержащем границу двойникования второго порядка {221}/{221}).

4. Установлено, что термообработка при Т=350°С монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой, легированных бором и лл -5 бором и германием совместно, с NGe=10 см", содержащих кислород в

17 3 концентрациях порядка 610 см", приводит к образованию низкотемпературных термодоноров, a Ge уменьшает на порядок скорость их образования.

5. Установлено, что длительная (50, 75 часов) низкотемпературная термообработка 350 °С приводит к увеличению времени жизни неосновных носителей заряда как в монокристаллах кремния, легированных бором, так и в монокристаллах кремния, легированных бором и германием совместно.

6. Установлено, что при облучении потоком быстрых электронов с if ^ энергией 6 МэВ (флюенсом 10 см") солнечные элементы монокристаллического кремния с заданной двойниковой структурой обладают большей радиационной стойкостью, чем солнечные элементы, изготовленные на пластинах монокристаллического кремния. (КПД до Облучения /КПД после облучения — 1 При АМО 60 С - у СЭ на основе Si<B> с заданной двойниковой структурой и КПД до облучения /КПД „осле облучения = 2,6 - у СЭ На МОНОКрИСТЭЛЛИЧеСКОМ кремнии).

В заключении хочу выразить искреннюю благодарность научному руководителю проф. Дашевскому М.Я. за постановку задачи, постоянную помощь и полезное обсуждение полученных результатов. Кроме того, выражаю благодарность сотрудникам кафедры Ml 111, других кафедр МИСиС и всем научным сотрудникам, оказывавшим помощь в проведении эксперимента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Афанасова, Ирина Владимировна, 2003 год

1. Martinelli G., Kibizov R. Growth of stable dislokation-free 3-grain silicon ingots for thin-ner slicing. //Apple. Phys. Lett. 1993. - V. 62. - N. 25.1. P. 1-2.

2. Kohn J.A. Twinning in diamond-type structures: a proposed boundary-structure model. //Amer. Mineralogist. 1958. - V. 43. - N. 3-4. - P. 263 - 284.

3. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. M.: Сов. Радио. - 1971.

4. Макаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. М.: Изд. Мир. -1974.

5. Дашевский М.Я., Кибизов Р.В. Анализ наблюдаемых двойниковых структур в кремнии. //Кристаллография. 1996. - Т. 41. - Вып. 3.1. С. 522-533.

6. Классен-Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М.: Изд. АН СССР. - 1960.

7. Бульонков М.П. Учебное пособие. М.: МИСиС. - 1975.

8. Krivanek O.L., Isoda S., Kobayashi K. Lattice imaging of a grain boundary in crystalline germanium. //Philosophical Magazine. 1977. V. 36. - N. 4.1. P. 931 -940.

9. Kohn J.A. Twinning in diamond-type structures: high order twinning in Si. //Amer. Mineralogist. 1956. - V. 41. - P. 778 - 784.

10. Орлов A.H., Копецкий Ч.В., Фионова JI.K. Границы зёрен в чистых материалах. М.: Изд. Наука. - 1987.

11. Дашевский М.Я., Киселёв Н.А., Васильев A.JT. и др. Электронная микроскопия двойников в дендритах и собственно междендритных лентах кремния. //Кристаллография. 1987. - Т. 32. - Вып. 3. - С. 718 - 722.

12. Hornstra J. Models of grain boundaries in the diamond lattice. I. Tilt about <001> and theory. //Physica. 1960. - V. 26. - N. 3. - P. 198 - 208.

13. Hornstra J. Models of grain boundaries in the diamond lattice. I. Tilt about <110>. //Physica. 1959. - V. 25. - N. 6. - P. 409 - 422.

14. Castaldini A., Cavalconi D., Martinelli G. Analysis of £ = 3 and £ =9 twin boundaries in three-crystal silicon ingots. //Solid State Phenomena Vols. -1996. V. 47 - 48. - P. 455 - 460.

15. Биллиг E. Рост и дефекты полупроводниковых кристаллов. // Кремний. -М.: Иностр. литер. 1960. - С. 163 - 184.

16. Varma C.K.R. Deformation twinning in diamond and the identification of the twinning plane. //Scripta Metallurgica. 1972. - V. 6. - P. 383 -386.

17. Booker G.R. Tripyramids and associated defects in epitaxial silicon layers. //Phil. Mag. 1965. - V. 11. - N. 5. - P. 1007 - 1020.

18. Philips V.A. Lattice resolution observations on the structure of twinning boundaries, faults and dislocations in epitaxial silicon. //Acta Metallurgica. -1972.-V. 20.-P. 1143- 1154. ,

19. Гончаров B.A., Ерофеева C.A., Суворов Э.В. Структура и электрическая активность микродвойниковых конгломератов в кремниевых лентах. //Кристаллография. 1987. - Т. 32. - Вып. 2. - С. 440 - 444.

20. Fan Van An, Bulencov N.A. Andreeva A.V. Structure of Second-Order Twin Boundary in Silicon and Its Interaction with Termally Generated Lattice Dislocations.//Phys. Stat. Sol.- 1985.-V. 88.-N. 2.-P. 429-441.

21. Cunnnigham B.,Strunk H., Ast D.G. // Electrochem. Soc. 1982. - V. 129. -N. 5.-P. 1089.

22. Cavalcoli D., Cavallini A., Capperdoni C., Martinelli G. On the electrical activity of first- and second-order twin boundaries in silicon. //Semicond. Sci. Technol. 1995. - P. 660 - 665.

23. Yang K., Schwuttke G.H. Structural and Electrical Characterization of Crystallographic Defects in Silicon Ribbons. // J. Crystal Growth. 1980. - V. 50. -N. 1.-P.311.

24. Wawer P., Irmscner S., Wagerman H.-G. High resolution LBIC characterization of tricrystalline silicon solar cells. //14th European photovoltaic solar cell energy conference. Barcelona. - 1997. - P. 38 - 41.

25. Ильящук Ю.М., Федотов A.K. Релаксация заряда в кремнии на границах зёрен, обогащённых кислородом и углеродом. //Физика и техника полупроводников. 1995. - Т. 29. - Вып. 3. - С. 532 - 535.

26. Кац Е.А. Зёренная структура и электрическая активность границ зёрен в профилированном кремнии для фотопреобразователей. //Диссертационная работа. М.:- 1990.

27. Федотов А.К., Ильящук Ю.М., Евтодий Б.Н. и др. Феноменологическая модель электрической активности границ зёрен в поликристаллическом кремнии. //Электронная техника. Серия материалы. 1991. - Вып. 7.1. С. 12-16.

28. Broniatowski A., Haut C. The electronic properties of copper-decorated twinned boundaries in silicon. //Philosophical Magazine Lett. 1990. - V. 62. -N. 6.-P. 407-415.

29. Philport S.R., Wolf D. Structure-energy correlation for grain boundaries in silicon. //Philosophical Magazine A. 1989. - V. 60. - N. 6. - P. 545 - 553.

30. ГОСТ 1965-81. Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия. М.: Издательство стандартов. - 1990.

31. Эйдензон A.M., Пузанов Н.И. Выращивание, морфология и структурное совершенство бездислокационных тетракристаллов кремния. //Неорганические материалы. 1996. - Т. 32. - Вып. 8. - С. 903 - 912.

32. Эйдинзон A.M., Пузанов Н.И. Влияние скорости выращивания на свирл-дефекты в крупногабаритных бездислокационных кристаллах кремния, полученных методом Чохральского. //Кристаллография. 1985. - Т. 30. -N. 5.-С. 992-998.

33. Воронков В.В., Мильвидский М.Г. Роль кислорода в образовании микродефектов при росте бездислокационных кристаллах кремния. //Кристаллография. 1988. - Т. 33. - С. 471 - 477.

34. Кузнецов Ф.А. Материалы электронной техники. Новосибирск. Наука. -1983.-С. 62-79.

35. Дашевский М.Я., Кибизов Р.В. Особенности формирования "кристаллов -бутонов" при выращивании междендритных лент кремния. //Кристаллография. 1984. - Т. 29. - Вып. 5. - С. 995 - 1000.

36. Дашевский М.Я., Иванченко В.И. Структурные особенности малодислокационных междендритных лент кремния с тонкойдвойниковой прослойкой. //Неорганические материалы. 1990. - Т. 26. -Вып. 9.-С. 1973- 1975.

37. Дашевский М.Я., Савельева Л.И., Кибизов Р.В., Иванченко В.И. // • Процессы роста полупроводниковых кристаллов и плёнок. -Новосибирск.-Наука. 1981.-С. 164.

38. Endros A.L., Einzinger R., Martinelli G. Tri-silicon: a novel substrate for thin wafer solar cells. //14th European photovoltaic solar cell energy conference. -Barcelona. 1997. - P. 112 - 114.

39. Глиберман А.Я., Зайцева A.K. Кремниевые солнечные батареи. //Государственное энергетическое издательство. Ленинград. - 1961.

40. Серафин Б. Преобразование солнечной энергии. М.: Энергоиздат. -1982.

41. Фабер Е., Тижбу Р. Солнечная энергетика. М.: Мир. 1979.

42. Астрова Е.В., Воронков В.Б., Лебедев А.А. и др. Влияние термообработки на фотоэлектрические свойства фотоприёмников на основе Si(Zn). // Физика и техника полупроводников. 1999. - Т. 33. - Вып. 3. - С. 362 -369.

43. Бахмен К. Материалы для солнечных элементов. //Сб. Актуальные проблемы материаловедения. М.: Изд. Мир. - Вып. 1. - 1982.

44. Horkins R.H., Rohatgi A. Impurity effects in silicon for high efficiency solar cells. // J. Crystal Growth. 1986. - V. 75. - P. 67 - 79.

45. Ф 53.Батавин В.В., Концевой Ю.А., Федорович Ю.В. Измерение параметровполупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. - 1985. 54.Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. - М.: Радио и связь. - 1990.

46. Ильин М.А., Коварский В.Я., Орлов А.Ф. Определение содержания кислорода и углерода в кремнии оптическим методом. //Заводская лаборатория. 1983. - N3. - С. 49.

47. Александрова Г.И., Ильин М.Я. Рашевская Е.П. О количественном определении содержания кислорода в кремнии. //Электронная техника. -Сер. Материалы. 1976. - Вып. 10. - С. 97 - 100.

48. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. //Под ред. Готра З.Ю. М.: Радио и связь. - 1991.

49. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. — М.: Металлургия. 1978.59.ГОСТ Р 50431-92.

50. Ежлов B.C. Физические свойства и структурные особенности легированных германием монокристаллов кремния, выращенных в условиях жидкостной подпитки. //Диссертационная работа. М.: 2000.

51. Дашевский М.Я., Карамышев Н.В., Филатова Н.Н. Низкотемпературный распад пересыщенных твёрдых растворов на основе кремния в системах Si-O и Si-O-Ge. //Материалы электронной техники. 1998. - N. 2.

52. Светлова Н.Ю. Влияние германия на кинетику образования низкотемпературных термодоноров и на начальные стадии процесса распада пересыщенного твёрдого раствора кислорода в кремнии. //Диссертационная работа. М.: 2003.

53. Дашевский М.Я. Докучаева А.А. Анисимов К.И. Влияние германия на образование термодоноров в кремнии. //Неорганические материалы. -1986.-Т. 22.-N. 10.

54. Бабицкий Ю.М., Горбачёва Н.И., Гринштейн П.М. и др. Кинетика генерации низкотемпературных кислородных доноров в кремнии с изовалентной примесью. //Физика и техника полупроводников. 1988. -Т. 22.-N.2.

55. Кибизов Р.В. Диссертационная работа. "Механизмы образования и особенности структуры и свойств междендритных лент кремния" //Диссертационная работа. М.: 1985.

56. Дашевский М.Я., Кибизов Р.В., Титунин Д.П. Свойства легированных бором монокристаллов кремния с заданной двойниковой структурой, прошедших низкотемпературную термообработку. //Цветная металлургия. 1999. - N. 3. - С. 61 -65.

57. Горбачёв В.В., Спицына Л.Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия. - 1982.

58. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа. - 1969.