Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Во избежание этих недостатков в настоящее время большинство монокристаллов Si выращивают методом Чохральского, модифицированным Тилом и Литлом, в котором влияние контейнера частично устранено благодаря вытягиванию кристалла из расплава (рис. 4.3). В методе зонной плавки вообще не используют контейнер, а тонкая движущаяся зона расплава удерживается в границах цилиндрической формы кристалла за счет сил поверхностного натяжения.
При выращивании кристалла из жидкой фазы скорость роста определяют два основных фактора. Главный из них - отвод скрытой теплоты кристаллизации, другой - время, необходимое атому, находящемуся
152
в жидкости, для диффузии к соответствующему участку кристалла; этот фактор минимален в системах с непереохлажденной жидкостью. Время диффузии различно для различных кристаллографических граней, что обычно приводит к артефактам в слитках и влияет на распределение примесей. Многие другие факторы, включая характер распределения температурных градиентов в жидкости и твердом теле, концентрацию примесей, кристаллографическую ориентацию, поверхностные дефекты, форму межфазной границы роста, по-разному влияют на рост кристалла.
Однако, если большая часть жидкости переохлаждена, влияние указанных факторов становится доминирующим. Например, дендритный рост определяется семейством двойниковых плоскостей, которые облегчают селекцию свободных центров зародышеобразования в переохлажденном расплаве, где скорость роста чрезвычайно высока. Таким же образом при выращивании нитевидных кристаллов из паровой фазы одиночная винтовая дислокация определяет ось быстрого образования зародышей.
4.2.2. Выращивание кристаллов методом Чохральского
Процесс выращивания кристаллов этим методом можно проследить, обратившись к схеме установки, показанной на рис. 4.3. В процессе выращивания контролируют температуру тигля, скорость вытягивания кристалла из расплава и перемешивание расплава при вращении вытягиваемого кристалла или тигля. Конструктивные особенности установки призваны обеспечить требуемую форму тепловых полей вблизи границы роста, регулировать тепловые потери в области выхода кристалла из расплава и через зажимный патрон, держащий затравочный кристалл.
Для инициирования роста кристалла затравочный кристалл опускают в расплав, плавно уменьшают его температуру и начинают вытягивать кристалл из расплава. Поскольку в большинстве модификаций метода Чохральского скрытая теплота кристаллизации выделяется главным образом за счет теплового излучения, интенсивность которого определяется излучающей площадью и температурой окружающей среды, диаметр кристалла зависит от соотношения между скоростью вытягивания и характером температурных полей. Влияние поверхностного натяжения относительно мало при нахождении границы роста значительно выше или ниже уровня расплава (рис. 4.3).
Обычно в качестве материала тигля, в котором расплавляют кремний, используют Si02 (температура размягчения около 1600°С). Легирующие примесн растворяют в расплаве, и до начала кристаллизации расплав гомогенизируют. Кристаллизацию проводят в вакууме в среде инертного газа. Кристаллы вытягивают со скоростью 10“ 4 — 10“2 см/с и вращают с частотой 10—40 об/мин. Часто одновременно осуществляют вращение тигля в противоположном направлении.
В настоящее время наилучшим материалом для изготовления тигля является кварц. Он медленно растворяется в жидком кремнии согласно реакции
2Si02 -»¦ 2SiO + 02 t
до насыщения расплава кислородом, соответствующего концентрации
153
(2-г4) .10»8 см-3 [Runyan, 1965], и только после этого образуется монооксид SiO. Монооксид кремния испаряется, однако примеси, содержащиеся в кварце, остаются в расплаве. В этой связи следует минимизировать отношение поверхности к объему тигля и применять особо чистый кварц. В качестве материала тигля используется также графит, однако углерод частично растворяется в кремнии, образуя включения SiC; кроме того, возможно загрязнение расплава примесями, поскольку графит с трудом поддается очистке.
Методом Чохральского выращивают слитки диаметром до 30 см и длиной до нескольких метров.
4.2.3. Сегрегация примесей
Между концентрацией примеси Ns, однородно сегрегирующейся на фронте кристаллизации, и концентрацией примеси в расплаве имеет место соотношение
Ns = k0KL, (4.1)
где ко — равновесный коэффициент сегрегации, значения которого для различных примесей приведены в табл. 4.1. При выращивании кристаллов методом Чохральского связь между концентрацией Ns(z), остающейся в расплаве в процессе кристаллизации, и долей z затвердевшего расплава в простейшем случае одномерной кристаллизации имеет вид
Ns(z)=N0k0(l-z)k°-1, (4.2)
где N0 — исходная концентрация примеси в расплаве до начала выращивания кристалла. Эта зависимость для различных значений к0 представлена на рис. 4.4, откуда следует, что примесь легко удаляется из расплава при малом значении к0, а для выращивания кристалла с однородным легированием должна иметь высокий к0.
Однако слишком высокая концентрация легирующей примеси может препятствовать росту монокристалла; например, при наличии в расплаве более 2% Sb кремний уже не растет в виде монокристалла. По зтой причине в качестве легирующей примеси преимущественно используют В, а не А1.
