CN112853475A - 一种三元掺杂半导体及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三元掺杂半导体制备工艺，包括：硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；所述掺杂剂包括B、P和Ga；所述掺杂剂的添加量按照如下计算：硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。本发明B、P和Ga元素按照上述特定配比掺杂，可以有效减低硅片硼氧浓度，可以解决光衰高的技术问题，同时提高转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备技术领域，尤其是涉及一种三元掺杂半导体及其制备工艺。
背景技术
Si中掺杂B形成半导体，但生产过程中，B在高温环境下易氧化生成B-O复合体；加入Ga能有效抑制B-O复合体的形成，但是由于Ga在硅中的分凝系数非常小，仅为0.008，而B在硅中的分凝系数为0.8，如果采用掺B直拉法生长的热系统及工艺来生长掺Ga硅单晶，则晶体头部和尾部电阻率相差很大，只有30％左右的硅单晶满足太阳能电池的要求。
因此，提供一种掺杂半导体解决Si中掺杂B形成半导体过程中导致的光衰高的问题是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种三元掺杂半导体的制备工艺，本发明制备的三元掺杂半导体能够降低光衰，提高转换效率。
本发明提供了一种三元掺杂半导体制备工艺，包括：
硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；
所述掺杂剂包括B、P和Ga；
所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
优选的，所述头部电阻率原子浓度是通过最终三元掺杂半导体的头部电阻设定值计算得到；
B原子浓度1.0e15：根据掺杂剂头部电阻计算得到；
P原子浓度1.0e14：根据掺杂剂头部电阻计算得到。
优选的，所述B的分凝系数为0.63；P的分凝系数为0.35；Ga的分凝系数0.008。
优选的，所述烘干温度为60-350度烘干时间为5-30分钟。
所述真空条件为采用氩气抽真空；所述真空度为30～40torr。
优选的，所述熔融为加热旋转熔融；加热器的功率为30～100KW；旋转的转速为0.5-15；所述熔融的温度为>1410度熔融的时间为4-10小时。
优选的，所述引晶的参数具体为：引晶总长度为180mm以上；细径直径在4.5～6mm。
优选的，所述放肩的温度为1410-1420度；转速为2-15转；
所述转肩启动直径为0-400mm(可任意调整)。
优选的，所述等径的参数具体为：
回熔分步下降晶棒，每次8～10mm；充氩气为500Torr；晶体提成速度为270mm/h提升20min；320mm/h提升40min，保压10min；
所述收尾长度为140mm～160mm。
本发明提供了一种三元掺杂半导体，其特征在于，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
本发明提供了一种太阳能电池，其特征在于，由包括上述技术方案所述的三元掺杂半导体制备得到。
与现有技术相比，本发明提供了一种三元掺杂半导体制备工艺，包括：硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；所述掺杂剂包括B、P和Ga；所述掺杂剂的添加量按照如下计算：硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。本发明B、P和Ga元素按照上述特定配比掺杂，可以有效减低硅片硼氧浓度，可以解决光衰高的技术问题，同时提高转换效率。
具体实施方式
本发明提供了一种三元掺杂半导体及其制备工艺，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明提供了一种三元掺杂半导体制备工艺，包括：
硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；
所述掺杂剂包括B、P和Ga；
所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
本发明提供的一种三元掺杂半导体制备工艺首先将硅原料、掺杂剂和籽晶混合。
本发明所述硅原料优选具体为纯度≥9N；本发明所述籽晶具体为单晶；本发明对其来源不进行限定，本领域技术人员熟知的市售即可。
本发明所述掺杂剂包括B、P和Ga。
本发明所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)。
上述计算式中：
本发明所述头部电阻率原子浓度是通过最终三元掺杂半导体的头部电阻设定值计算得到；
B原子浓度>1.0e15：根据掺杂剂头部电阻计算得到；
本发明B的分凝系数优选为0.63。
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)。
上述计算式中：
本发明所述头部电阻率原子浓度是通过最终三元掺杂半导体的头部电阻设定值计算得到；P原子浓度：根据掺杂剂头部电阻计算得到。
本发明P的分凝系数优选为0.35。
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
本发明所述头部电阻率原子浓度是通过最终三元掺杂半导体的头部电阻设定值计算得到；
本发明所述Ga的原子质量、阿伏伽德罗常数为本领域技术人员公知的即可。
本发明Ga的分凝系数0.008。
掺杂剂B会与SiO发生再次反应，生产B-O结合对，B-O对在太阳能电池加工环节中，造成光衰高(光衰：太阳能电池光衰指的是接收光而发出的电能减小)，而Ga能抑制B、O的结合，从而降低光衰。本发明采用P对电阻进行补偿，满足太阳能电池晶体头部和尾部电阻率的要求。
目前直拉单晶采用多次加料技术(拉制完成一棒后，炉内会剩部分原料，再继续投入硅料继续熔化-拉制)，由于Ga和P的分凝系数原因，炉内剩余部分原料中会含有大量的P、Ga，故在后续投料过程中仅需要计算B掺杂剂的重量即可，不再计算P、Ga掺杂剂重量。即除第一次加料需计算B、P、Ga三种掺杂剂重量外，后续投料均不再计算P、Ga掺杂剂。
本发明所述硅原料和掺杂剂的比例为>100000：1；
所述籽晶的添加量为≥1
本发明对于所述混合的方式不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。
混合后为清洗，烘干。
本发明所述清洗的清洗剂包含HF、HNO3、HCI、NaOH、纯水等，所述清洗的次数为1-5次，清洗的时间为5-30分钟
本发明所述烘干的温度为60-350度，烘干的时间为5-3分钟
烘干后为称重、包装，而后拆炉，装炉，本发明对此不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。
在真空条件下，熔融。
本发明所述真空条件为采用氩气抽真空；所述真空度为30～40torr。
本发明抽真空后还有捡漏的工序，本发明对此不进行限定，本领域技术人员熟知的即可。
捡漏后为熔融化料。
所述熔融为加热旋转熔融；加热器的功率为30～100KW；旋转的转速为0.5；所述熔融的温度为1410-1420度，熔融的时间为大于3小时。
熔融的主加热器功率为95～100kw；底加热器为30～40kw。
而后为低压高温挥发步骤，低压挥发：液口控制在40mm～50mm；埚位在引晶埚位以下40mm～50mm；埚转设定为2转，功率高出引晶功率5～10Kw，节流阀设定60～100％，氩气流量为20～30s1pm，炉压为2～3torr；拉速为20～30mm/h。
挥发后为稳温。
下降籽晶至副室上方停留10～15min；炉盖停炉10～15min，最后降至页面上20～30mm处停留10～15min。
应不小于10～20min每次的频率观察光圈变化，引晶功率大于90KW使用2转稳温，小于90KW使用7转稳温。
而后为引晶。
本发明所述引晶的参数具体为：引晶总长度为180mm以上；细径直径在4.5～6mm。
若细径低于4.5mm必须回熔重来。
若为手动引晶，设定晶体慢速为20～100mm/h，晶体快速为300～480mm/h。
而后为放肩，本发明所述放肩的温度为1410-1420；转速为2-15转。
放肩直径在200mm以后5min内观测一次直径。
而后为转肩。本发明所述转肩启动直径为0-400mm(可任意调整)。本发明对此不进行限定。
转肩过程根据当晶体边缘光圈无长大趋势，侧面轮廓呈垂直形状，转肩完成。
而后为等径。
本发明所述等径的参数具体为：
回熔分步下降晶棒，每次8～10mm；充氩气为500Torr；晶体提成速度为270mm/h提升20min；320mm/h提升40min，保压10min。
断楞长度为500～600mm之间，运行时间为200～220h，提出。
而后为收尾。
所述收尾长度为140mm～160mm。
本发明提供了一种三元掺杂半导体，其特征在于，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
本发明提供了一种太阳能电池，其特征在于，由包括上述技术方案所述的三元掺杂半导体制备得到。
本发明提供了一种三元掺杂半导体制备工艺，包括：硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；所述掺杂剂包括B、P和Ga；所述掺杂剂的添加量按照如下计算：硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。本发明B、P和Ga元素按照上述特定配比掺杂，可以有效减低硅片硼氧浓度，可以解决光衰高的技术问题，同时提高转换效率。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种三元掺杂半导体及其制备工艺进行详细描述。
实施例1
硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，氩气抽真空，在真空度为30torr；条件下，按照本发明限定的参数进行熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到三元掺杂半导体。所述B的分凝系数为0.63；P的分凝系数为0.35；Ga的分凝系数0.008。所述掺杂剂包括B、P和Ga；所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
通过掺杂工艺调整硅片的电阻率范围，硅片电阻率范围再0.6～1.1Ω.cm之间均匀性更好，通过调整掺杂剂元素后有效降低硅片硼氧40％浓度，硅片氧含量＜15.5ppm，通过元素调整掺杂少子寿命提高10％，转换效率提高0.05％，光致衰减＜1％。
实施例2
硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，氩气抽真空，在真空度为30torr；条件下，按照本发明限定的参数进行熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到三元掺杂半导体。所述B的分凝系数为0.63；P的分凝系数为0.35；Ga的分凝系数0.008。所述掺杂剂包括B、P和Ga；所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
该产品光致衰减0.98％(5KW/h)，光电转换效率为21.95％，失效0.03％，制程碎片0.07％，批合格率100％，来料隐裂0.11％，来料检验不良率0.5％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三元掺杂半导体制备工艺，其特征在于，包括：
硅原料、掺杂剂和籽晶混合，清洗，烘干，在真空条件下，熔融、引晶、放肩、转肩、等径、收尾得到；
所述掺杂剂包括B、P和Ga；
所述掺杂剂的添加量按照如下计算：
硼：(硅原料投量重量的75％*头部电阻率原子浓度)/(B原子浓度*B的分凝系数)；
磷：(硅原料投量重量的45％*头部电阻率原子浓度)/(P原子浓度*P的分凝系数)；
镓：(硅原料投量重量30％*头部电阻率原子浓度*Ga的原子质量)/(阿伏伽德罗常数*硅的比重*Ga的分凝系数。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述头部电阻率原子浓度是通过最终三元掺杂半导体的头部电阻设定值计算得到；
B原子浓度>1.0e15：根据掺杂剂头部电阻计算得到；
P原子浓度>1.0e14：根据掺杂剂头部电阻计算得到。
3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述B的分凝系数为0.63；P的分凝系数为0.35；Ga的分凝系数0.008。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述烘干温度为60-350度，烘干时间为5-30min；
所述真空条件为采用氩气抽真空；所述真空度为30～40torr。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述熔融为加热旋转熔融；加热器的功率为30～100KW；旋转的转速为0.5-15转；所述熔融的温度为>1410度熔融的时间为4-10小时。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述引晶的参数具体为：引晶总长度为180mm以上；细径直径在4.5～6mm。
7.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述放肩的温度为1410-1420度；转速为2-15转；
所述转肩启动直径为0-400m。
8.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述等径的参数具体为：
回熔分步下降晶棒，每次8～10mm；充氩气为500Torr；晶体提成速度为270mm/h提升20min；320mm/h提升40min，保压10min；
所述收尾长度为140mm～160mm。
9.一种三元掺杂半导体，其特征在于，由权利要求1～8任意一项所述的制备方法制备得到。
10.一种太阳能电池，其特征在于，由包括权利要求9所述的三元掺杂半导体制备得到。
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