DE3434552A1 - Process for forming a pn boundary layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht, insbesondere einer pn-Grenzschicht/ deren Rückwärtsstrom gering ist, und weiterhin auf ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht, das zur Herstellung einer Solarzelle mit einer hohen Leerlaufspannung (Voc) geeignet ist.The invention relates to a method for forming a pn boundary layer, in particular a pn boundary layer / whose reverse current is low, and continues to go to a method to form a pn boundary layer, which is used to manufacture a solar cell with a high open circuit voltage (Voc) is suitable.
Das Ionen-Implantationsverfahren ist derzeit eine der wichtigsten Technologien in der Halbleiterindustrie. Die Ionen-Implantationsgeräte für die Halbleiterfertigung führen im allgemeinen eine Massentrennung mit hoher Auflösung durch (d.h. eine Massenanalyse von hoher Auflösung wird eingesetzt), was den Vorteil einer hohen Reinheit des eingebrachten Dotierstoffes hat, was aber von Nachteilen begleitet wird, wie z.B. dem Umstand, daß der Aufbau einer Massenzerlegungs-Vorrichtung teuer und ihre Betriebskosten hoch sind.The ion implantation process is currently one of the most important Technologies in the semiconductor industry. The ion implantation devices for semiconductor manufacturing generally perform high resolution bulk separation (i.e. a mass analysis of high resolution is used), which has the advantage of a high purity of the introduced dopant has, but this is accompanied by disadvantages such as the fact that the construction of a mass separation device expensive and their running costs are high.
Zur Überwindung dieser Nachteile sind insbesondere für Solarzellen alternative Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht vorgeschlagen worden, wie beispielsweise eine Ionen-Implantation mit niedriger Auflösung der Massentrennung . (low resolution mass analysis) oder Ionen-Implantation ohne Massentrennung (vgl. z.B. US-Patentanmeldung vom 18. Mai 1981, Serial No. 375 583, US-Patentanmeldung vom 21. März 1983, Serial No. 477 375, welche der japanischen Patentanmeldung Nr. Sho. 57-45617 entsprechen).To overcome these disadvantages, solar cells in particular alternative methods of forming a pn junction have been proposed, such as ion implantation with low resolution of the mass separation. (low resolution mass analysis) or ion implantation without Mass separation (see e.g. U.S. patent application dated May 18 1981, serial no. 375,583, U.S. Patent Application filed March 21, 1983, Serial No. 477,375 which Japanese Patent Application No. Sho. 57-45617).
Diese Verfahren reduzieren nicht nur die Konstruktions- und Betriebskosten, sondern liefern auch einen erhöhten Implantationsstrom aufgrund des kürzeren Weges des Ionenstrahls, wodurch Verluste, die von Stoßstreuung durch die Innenwand der Vorrichtung u.a. verursacht werden, reduziert werden, was wiederum den Vorteil eines schnelleren Ionen-Implantationsprozesses (d.h. einen höheren Durchsatz) mit sich bringt.These procedures not only reduce construction and Operating costs, but also provide increased implantation current due to the shorter path of the ion beam, thereby reducing losses caused by shock scattering through the inner wall of the device, among others, which in turn has the advantage of a faster ion implantation process (i.e. a higher throughput).
Das Ionen-Implantationsverfahren ohne Massentrennung umfaßt ein Verfahren mit einer Feststoff-Ionenquelle, welche festes Material (d.h. roter Phosphor im Falle einer Phosphor-Implantation) einsetzt, und ein Verfahren mit einer Gas-Ionenquelle, bei der als Quellenmaterial Hydride (z.B. PH» bei einer Phosphor-Implantation) oder Halogenide (z.B. PF _ bei einer Phosphor-Implantation) verwendet werden. Das erstere Verfahren erfordert einen Verdampfer und das Bereitstellen einer Heizvorrichtung (etwa 4000C bei einer Phosphor-Implantation) für den Weg zwischen dem Verdampfer zur Ionenquelle, so daß der Dampf an einer Verfestigung (an einem Niederschlag) gehindert wird, wohingegen das letztere Verfahren diese Einrichtungen nicht benötigt, weil gasförmiges Material eingesetzt wird.The ion implantation method without mass separation comprises a method with a solid ion source, which uses solid material (ie red phosphorus in the case of phosphorus implantation), and a method with a gas ion source, in which hydrides (eg PH »at a phosphorus implantation) or halides (e.g. PF_ in a phosphorus implantation) can be used. The former method requires an evaporator and the provision of a heating device (about 400 ° C. for a phosphorus implantation) for the path between the evaporator and the ion source, so that the vapor is prevented from solidifying (from a precipitate), whereas the latter method these facilities are not required because gaseous material is used.
Im Fall der Verwendung von Hydrid- oder Halogenid-Gas können jedoch bei Anwendung eines Ionen-Implantationsverfahrens, bei dem eine Massentrennung mit niedriger Auflösung oder gar keine Massentrennung durchgeführt wird, in dem Siliziumsubstrat andere Ionen als die für die Herbeiführung der reinen Leitfähigkeit erforderlichen Dotierstoff-In the case of using hydride or halide gas, you can but when using an ion implantation process, in which a mass separation with low resolution or no mass separation at all is carried out, in which Silicon substrate other ions than the dopant required to bring about pure conductivity
+ 2+ +
Ionen (z.B. P , P , P. bei der Phosphor-Implantation)+ 2+ +
Ions (e.g. P, P, P. in the case of phosphorus implantation)
implantiert werden, nämlich Ionen eines die Leitfähigkeit . herbeiführenden Dotierstoffes, die mit Wasserstoff oder mit Halogen verbunden sind (z.B. PH , PH , PH usw. bei der Phosphor-Implantation) wie auch Wasserstoff-Ionen H und H_ oder Halogen-Ionen, die in der Ionenquelle erzeugt werden. Diese unerwünschten Ionen verursachen Schaden oder Kristalldefekte im Siliziumkristall und beeinflussen nachträglich die Strom-Spannungscharakteristik der in dem geschädigten Teil gebildeten pn-Grenzschicht sowie die Eigenschaften der resultierenden Solarzelle. Ergänzend wird auf die folgenden Veröffentlichungen hingewiesen: Japan J. Appl. Phys·. 20. (1981) Suppl. 20-2, S. 39 und Japan J. Appl. Phys. 21 (1982) Suppl. 21-2, S. 7 von H. Itoh et al..be implanted, namely ions of one of the conductivity. causing dopant, which are connected with hydrogen or with halogen (e.g. PH, PH, PH etc. in the case of phosphorus implantation) as well as hydrogen ions H and H_ or halogen ions that are generated in the ion source. These unwanted ions cause damage or crystal defects in the silicon crystal and subsequently influence the current-voltage characteristics of the pn boundary layer formed in the damaged part and the properties of the resulting solar cell. In addition, reference is made to the following publications: Japan J. Appl. Phys ·. 20. (1981) Suppl. 20-2 , p. 39 and Japan J. Appl. Phys. 21 (1982) Suppl. 21-2 , p. 7 by H. Itoh et al.
Zur Behebung solcher Schwierigkeiten ist ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht bekannt, bei dem zur Bildung eine pn-Grenzschichtfront unter dem beschädigten Teil durch Diffusion der die Leitfähigkeit herbeiführenden Dotierstoff-Ionen in ein gegenüber dem beschädigten Teil tieferes Gebiet mit Hilfe eines Temperprozesses unter Verwendung eines elektrischen Ofens oder dergleichen gebildet wird, wie dies in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben ist: Proc. of the 15th IEEE Photovoltaic Specialist Conf., 1981, S. 981, von M.D. Sirkis, et al. und Japan J. Appl. Phys. 20. (1981) Suppl. 20-2 von H. Itoh et al..To overcome such difficulties, a method for forming a pn boundary layer is known in which to form a pn boundary layer front under the damaged part by diffusion of the conductivity causing dopant ions into a lower area than the damaged part with the help of a tempering process an electric furnace or the like as described in the following publications: Proc. of the 15th IEEE Photovoltaic Specialist Conf., 1981, p. 981, by MD Sirkis, et al. and Japan J. Appl. Phys. 20. (1981) Suppl. 20-2 by H. Itoh et al.
Ein weiteres Temperverfahren besteht in der Verwendung eines gepulsten Laserstrahls zum plötzlichen Aufschmelzen der eine gestörte Kristallschicht enthaltenden Oberflächenschicht, um nachfolgend eine pn-Grenzschicht auszubilden, wie dies in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 53-130975 beschrieben ist. Wenn bei diesem Verfahren jedoch eine größere Implantations- oder Beschleunigungsenergie verwendet wird, um den Implantationsprozeß zu beschleunigen, d.h. einen hohen Implantationsstrom zu erzielen, so geht das gestörte Kristallgebiet tiefer, was dazu führt, daß die pn-Grenz-• schicht tiefer liegt. Demzufolge wird der Fotostrom einer Solarzelle niedrig. Um eine hohe Ausbeute der Solarzelle herbeizuführen, muß. eine niedrige Ionen-Implantationsenergie eingesetzt werden, so daß die Tiefe der Grenzschicht, die Tiefe der gestörten Schicht nämlich,vermindert wird, oder es muß die Konzentration der Ionen, die sich von dem für die Leitfähigkeit erforderlichen Dotierstoff unterscheiden, erniedrigt werden, indem der Implantations-Ionenstrahl magnetisch abgetastet wird. Diese Art der Durchführung verlangsamt jedoch den Ionen-Implantationsprozeß und gibt die Besonderheiten der Ionen-Implantationsverfahren mit einer Massentrennung niedriger Auflösung oder ohne Massentrennung auf.Another annealing process is the use of a pulsed laser beam to suddenly melt the a surface layer containing a disturbed crystal layer to subsequently form a pn junction, as shown in FIG Japanese Patent Laid-Open No. 53-130975 is. However, if greater implantation or acceleration energy is used in this procedure, in order to accelerate the implantation process, i.e. to achieve a high implantation current, the disturbed one works Crystal region deeper, which means that the pn boundary layer • is deeper. As a result, the photocurrent becomes one Solar cell low. In order to bring about a high yield of the solar cell, must. a low ion implantation energy be used so that the depth of the boundary layer, namely the depth of the disturbed layer, is reduced, or it must be the concentration of the ions that differ from the dopant required for conductivity, be lowered by the implantation ion beam is scanned magnetically. However, this type of implementation slows down the ion implantation process and gives the peculiarities of the ion implantation process with a low resolution mass separation or without Mass separation on.
Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die voran beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht mit einem kleinen Sperrstrom anzugeben, das bei der Herstellung von Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad vorteilhaft ist.Accordingly, it is an aim of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art described above to overcome and to specify a method for the formation of a pn junction with a small reverse current, which at the production of solar cells with high efficiency is advantageous.
Diese Aufgabe wird mit einem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.This object is achieved with a method specified in the preamble of claim 1, which according to the invention is designed according to the manner specified in the characterizing part of this claim.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further, advantageous refinements of the invention emerge from the subclaims.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht mit einem kleinen Sperrstrom vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe eines Temperprozesses in einer oxidierenden Atmosphäre die schädlichen Wirkungen von sich von den die Leitfähigkeit herbeiführenden Dotierstoffen unterscheidenden Ionen entfernt werden, wodurch die Herstellung von Solarzellen hohen Wirkungsgrades möglich wird. Die Erfinder dieser Erfindung haben herausgefunden, daß dann, wenn das Siliziumsubstrat nach einer Ionen-Implantation mit einer Massentrennung niedriger Auflösung oder ohne Massentrennung in einer oxidierenden Atmosphäre getempert wird, die Substratoberfläche-oxidiert wird, was faktisch zu einer Verringerung der Tiefe der pn-Grenzschicht führt, so daß eine pn-Grenzschicht erzeugt wird, die für eine Solarzelle von hohem Wirkungsgrad geeignet ist.According to the invention there is provided a method for forming a pn junction proposed with a small reverse current, in which with the help of a tempering process in an oxidizing Atmosphere the harmful effects of differing from the conductivity-inducing dopants Ions are removed, whereby the production of solar cells with high efficiency is possible. The inventor of this invention have found that when the silicon substrate after ion implantation with a Mass separation of low resolution or without mass separation is annealed in an oxidizing atmosphere, which Substrate surface-is oxidized, which in fact becomes a Reducing the depth of the pn junction leads to the creation of a pn junction which is suitable for a solar cell of high efficiency is suitable.
Es hat sich ferner herausgestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine vergleichsweise hohe Implantationsenergie (die zu einem hohen Implantationsstrom führt) bei der Herstellung von Solarzellen mit hohem Fotostrom erlaubt. Der vorerwähnte Oxidfilm auf der Substratoberfläche kann natür-It has also been found that the inventive Method a comparatively high implantation energy (which leads to a high implantation current) during manufacture solar cells with high photocurrent allowed. The aforementioned oxide film on the substrate surface can naturally
lieh die Rolle eines Passivationsfilmes spielen> jedoch kann dieser Film durch Ätzen auch dünner gemacht oder entfernt werden. Die Eigenschaften der pn-Grenzschicht können durch Steuerung der Dicke des Oxidfilmes verbessert, verschlechtert oder unverändert gelassen werden, und sie kann entsprechend dem vorausgesetzten Zweck in geeigneter Weise behandelt werden.lent the role of a passivation film> however, this film can also be thinned or removed by etching. The properties of the pn junction can be achieved by Control of the thickness of the oxide film can be improved, deteriorated or left unchanged, and it can be changed accordingly be treated appropriately for the intended purpose.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.In the following, the invention is described and in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the figures explained.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Temperatur der Temperung und der Leerlaufspannung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a graph showing the relationship between the annealing temperature and the open circuit voltage in one embodiment of the present invention;
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Tiefen der Ionen-Implantation, des gestörten Gebietes und der pn-Grenzschicht gegenüber dem Temperatur der Temperung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;Fig. 2 shows in a diagram the depths of the ion implantation, the disturbed region and the pn boundary layer compared to the temperature of the annealing according to an embodiment of the invention;
Fig. 3A
bis 3C zeigen Querschnitte durch ein Siliziumsubstrat zurFigure 3A
to 3C show cross sections through a silicon substrate
Darstellung der einzelnen Schritte des Herstellungsprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung. Representation of the individual steps of the manufacturing process according to the present invention.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 erläutert. Unter Verwendung von PH3 als Entladungsgas wird eine Ionen-Implantation ohna Massentrennung an einem p-artigen Siliziumsubstrat, dessen spezifischer Widerstand 3 Ω-cm beträgt, bei einer Beschleunigungsenergie von 25 keV und einer gesamten lonendosis vonAn embodiment of the present invention will now be explained with reference to FIG. Using PH 3 as the discharge gas, an ion implantation without mass separation is carried out on a p-type silicon substrate, the specific resistance of which is 3 Ω-cm, with an acceleration energy of 25 keV and a total ion dose of
15 -2
5x10 cm ausgeführt. Danach wird das Substrat in einem
Temperaturbereich von 700 bis 10000C in einer Atmosphäre
aus feuchtem Sauerstoff geglüht. Danach werden eine Ti/Ag-Elektrode und eine Al-Elektrode auf der Vorder- und Rückseite
zur Bildung einer fertigen Solarzelle ausgebildet.15 -2
5x10 cm executed. The substrate is then annealed in a temperature range from 700 to 1000 ° C. in an atmosphere of moist oxygen. Thereafter, a Ti / Ag electrode and an Al electrode are formed on the front and back to form a finished solar cell.
Die Leerlaufspannung (Voc) der hergestellten Solarzelle besitzt eine Abhängigkeit von der in feuchtem Sauerstoff ausgeführten Temperung, die durch die Kurve 11 in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Kurve 12 zeigt das Ergebnis einer nach der Ionen-Implantation ausgeführten Temperung in einer Atmosphäre aus trockenem Stickstoff, die unter den gleichen Bedingungen ausgeführt wurde, und die Kurven 13 und 14 zeigen die Eigenschaften von Solarzellen, die in feuchtem Sauerstoff bzw. in trockenem Stickstoff jeweils nach einer P Ionen-Implantation getempert wurden, bei welcher die übliche Ionen-Implantation mit einer Massentrennung, einer Do-The open circuit voltage (Voc) of the solar cell produced is dependent on that carried out in moist oxygen Tempering, which is represented by curve 11 in FIG. 1. The curve 12 shows the result of a the ion implantation carried out annealing in an atmosphere of dry nitrogen under the same Conditions was carried out, and curves 13 and 14 show the properties of solar cells in moist oxygen or in dry nitrogen after a P ion implantation were annealed, in which the usual ion implantation with a mass separation, a Do-
15 -2
sis von 5x10 cm und einer Implantationsenergie von
25 keV ausgeführt wurde. Die in feuchtem Sauerstoff nach der Ionen-Implantation ohne Massentrennung getemperte Solarzelle
hat eine höhere Leerlaufspannung (Voc) im Vergleich mit einer nach der Ionen-Implantation ohne Massentrennung
in trockenem Stickstoff getemperten Solarzelle, und durch geeignete Wahl der Temperatur der Temperung wird
sie mit der Leerlaufspannung Voc (etwa 0,58 Volt) einer Solarzelle
vergleichbar, die nach der Ionen-Implantation mit Massentrennung in feuchtem Sauerstoff getempert wurde. Die
Ergebnisse zeigen nämlich, daß die mit Hilfe einer Ionenimplantation ohne Massentrennung hergestellte Solarzelle
im Vergleich zu einer durch Ionen-Implantation mit Massen-"
trennung hergestellten Solarzelle empfindlicher gegenüber der Änderung der Temperatmosphäre von trockenem Stickstoff
zu feuchtem Sauerstoff ist, insbesondere bei einem Temperaturbereich der Temperung von 850 bis 10000C.15 -2
sis of 5x10 cm and an implantation energy of 25 keV was carried out. The solar cell tempered in moist oxygen after the ion implantation without mass separation has a higher open circuit voltage (Voc) compared to a solar cell tempered in dry nitrogen after the ion implantation without mass separation, and through a suitable choice of the tempering temperature it becomes with the open circuit voltage Voc (approx. 0.58 volts) comparable to a solar cell that was tempered after ion implantation with mass separation in moist oxygen. The results show that the solar cell produced with the aid of ion implantation without mass separation is more sensitive to the change in the temperature atmosphere from dry nitrogen to moist oxygen compared to a solar cell produced by ion implantation with mass separation, especially in a temperature range of the tempering from 850 to 1000 0 C.
Es wurde ermittelt, daß die Abhängigkeit der Leerlaufspannung Voc von der Glühtemperatur bei vier Arten von Solarzellen wie folgt erklärt werden kann. Zunächst besitzt eine Solarzelle, die nach der Ionen-Implantation mit Massentrennung in trockenem Stickstoff getempert wird, eine Leerlaufspannung Voc, die monoton mit dem Ansteigen der Glütemperatur abnimmt. Dies kann der Abnahme der Diffusions-It was found that the dependence of the open circuit voltage Voc of the annealing temperature in four types of solar cells can be explained as follows. First of all, owns a Solar cell that is tempered after ion implantation with mass separation in dry nitrogen, an open circuit voltage Voc, which decreases monotonically as the annealing temperature rises. This can lead to a decrease in the diffusion
länge der Minoritätsladungsträger zugeschrieben.werden. Dieser Umstand wurde herausgefunden, indem die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in dem p-artigen Siliziumsubstrat aus den Eigenschaften der Spektralempfindlichkeit der Solarzelle abgeleitet wurde. Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung Voc von der Glühtemperatur bei einer Solarzelle, die nach einer mit Massentrennung durchgeführten Ionen-Implantation in feuchtem Sauerstoff geglüht wurde, kann auf eine Änderung der Phosphor-Konzentration gegen die Glühtemperatur zurückgeführt werden. Man kann sich vorstellen, daß dies auf einer Umverteilung des Phosphors zwischen dem Siliziumsubstrat und dem gebildeten Oxidfilm beruht, was zu der Ausbildung einer Schicht mit hoher P -Konzentration an der Siliziumoberfläche und zur Eliminierung einer flachen Verteilung der Phosphor-Konzentration führt. Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung Voc von der Glühtemperatur zeigt an, daß die Umverteilung des Phosphors in Abhängigkeit von der Glühtemperatur unterschiedlich ausfällt, und das Profil der Phosphor-Konzentration ist einer der Faktoren, die den Wert der Leerlaufspannung Voc bestimmen.length of the minority charge carriers. This Circumstance was found out by the diffusion length of the Minority charge carriers in the p-type silicon substrate from the properties of the spectral sensitivity of the solar cell was derived. The dependence of the open circuit voltage Voc of the annealing temperature for a solar cell after an ion implantation carried out with mass separation Annealing in moist oxygen can indicate a change in the phosphorus concentration versus the annealing temperature to be led back. One can imagine that this is due to a redistribution of the phosphorus between the silicon substrate and the oxide film formed, resulting in the formation of a high P concentration layer the silicon surface and eliminates a flat distribution of the phosphorus concentration. The dependence the open circuit voltage Voc of the annealing temperature indicates that the redistribution of phosphorus is dependent on the annealing temperature is different, and the profile of the phosphorus concentration is one of the factors that determine the Determine the value of the open circuit voltage Voc.
Es wurde ferner klargestellt, daß die Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Glühtemperatur bei einer Solarzelle, die nach einer Ionen-Implantation ohne Massentrennung in trockenem Stickstoff geglüht wurde, der örtlichen Beziehung zwischen der pn-Grenzschicht und dem gestörten Gebiet bzw. dem Gebiet mit Kristalldefekten zuzuschreiben ist, das durch H -Ionen während des Ionen-Implantationsprozesses geschaffen wird. Die Verteilung der Kristalldefekte, die durch H -Ionen während der Ionen-Implantation mit 25 keV erzeugt werden, hat einen Spitzenwert in einer Tiefe von ungefähr 0,26 μπι von der Oberfläche, und die Fehlstellen werden in einem Temperaturbereich von 700 bis 8500C nicht vollständig ausgeheilt und ändern ihre Stellung nicht signifikant. Demgegenüber nimmt die Tiefe der Grenzschicht bei Ansteigen derIt was further clarified that the dependence of the open circuit voltage on the annealing temperature in a solar cell which was annealed after ion implantation without mass separation in dry nitrogen is to be ascribed to the spatial relationship between the pn interface and the disturbed area or the area with crystal defects that is created by H ions during the ion implantation process. The distribution of crystal defects caused by H ions during ion implantation are generated with 25 keV, has a peak value at a depth of about 0.26 μπι from the surface, and the voids are in a temperature range of 700-850 0 C. not fully healed and do not change their position significantly. In contrast, the depth of the boundary layer increases as the
Glühtemperatur zu und reicht von 0,3 μπι bis 0 , 5 ■ μΐη bei einer Glühtemperatur von 700 bis 10000C. Daher überlappt im Temperaturbereich von 700 bis 8000C die Verteilung der Kristalldefekte die Tiefe der Grenzschicht, was zu einer Verschlechterung der Kennlinie Diodenstrom/Spannung sowie der Leerlaufspannung Voc der Solarzelle führt. Die Abnahme der Leerlaufspannung Voc oberhalb von 9000C kann der Abnahme der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger zugeschrieben werden, ebenso wie dies der Fall bei einer Solarzelle ist, die nach einer Ionen-Implantation mit Massentrennung in trockenem Stickstoff geglüht wurde.Annealing temperature to, and ranges from 0.3 μπι to 0, 5 ■ μΐη at an annealing temperature of 700 to 1000 0 C. overlaps Therefore, in the temperature range of 700 to 800 0 C, the distribution of the crystal defects, the depth of the boundary layer, resulting in deterioration of the characteristic Diode current / voltage and the open circuit voltage Voc of the solar cell leads. The decrease in the open circuit voltage Voc above 900 ° C. can be attributed to the decrease in the diffusion length of the minority charge carriers, as is the case with a solar cell that was annealed in dry nitrogen after an ion implantation with mass separation.
Die Abhängigkeit der Leerlaufspannung Voc von der Glühtemperatur bei einer Solarzelle, die nach einer Ionen-Implantation ohne Massentrennung in feuchtem Sauerstoff geglüht wird, steht in Beziehung zu der Abhängigkeit der Dicke des ausgebildeten Oxidfilmes von der Glühtemperatur und der Tiefe der Grenzschicht. Dies wird unter Bezugnahme auf die Fig. und 3A bis 3C beschrieben. Die Fig. 3A zeigt den Vorgang einer Ionen-Implantation ohne Massentrennung an einem Siliziumsubstrat, bei der Phosphin PH-. verwendet wird. Als Ergebnis davon wird in einem Oberflächengebiet des Si-Substrates ein mit Dotierstoff implantiertes Gebiet ausgebildet, und eine gestörte Schicht 23 wird entsprechend der Fig. 3B um den Boden des implantierten Gebietes herum ausgebildet.The dependence of the open circuit voltage Voc on the annealing temperature in the case of a solar cell that is annealed in moist oxygen after ion implantation without mass separation, is related to the dependence of the thickness of the formed oxide film on the annealing temperature and the depth the boundary layer. This will be described with reference to Figs. And 3A to 3C. Fig. 3A shows the process an ion implantation without mass separation on a silicon substrate, at the phosphine PH-. is used. As a result, in a surface area of the Si substrate a region implanted with a dopant is formed, and a disturbed layer 23 is formed as shown in FIG. 3B formed around the bottom of the implanted area.
Nach dem Implantationsprozeß wird das Siliziumsubstrat in einer oxidierenden Atmosphäre, d.h. in feuchtem Sauerstoff (Fig. 3C), geglüht (getempert). Die Oxidation schreitet von der Siliziumoberfläche 20 in den Grundkörper r vor, und die Oberfläche des Siliziumsubstrates wird in einen Oxidfilm verwandelt, wobei die Grenzfläche 21 zwischen Oxid und Si sich auf eine tiefere Stellung hin bewegt. Die pn-Grenzschicht 22 bewegt sich ebenfalls zu einer tieferen Stellung aufgrund der thermischen Diffusion des implantierten Dotierstoffes. After the implantation process, the silicon substrate is annealed (tempered) in an oxidizing atmosphere, ie in moist oxygen (FIG. 3C). The oxidation proceeds from the silicon surface 20 into the base body r , and the surface of the silicon substrate is turned into an oxide film, with the interface 21 between oxide and Si moving to a deeper position. The pn junction 22 also moves to a lower position due to the thermal diffusion of the implanted dopant.
Bei der Fig. 2 repräsentiert die Kurve 21 mit den ausgefüllten Punkten die Dicke der in einen Oxidfilm verwandelten Siliziumschicht, während die Kurve 22 mit den unausgefüllten Punkten die Summe aus der Dicke der oxidierten Siliziumschicht und der Tiefe der Grenzschicht darstellt, d.h. die Tiefe der Grenzschicht gemessen von der ursprünglichen Siliziumoberfläche 20 vor der Oxidation. Der schraffierte Bereich 23 in der Fig. 2 stellt das gestörte Kristallgebiet dar, das durch H -Ionen usw. während des Implantationsprozesses bei 25 keV ausgebildet wird. Bei solchen Temperbedingungen, bei denen die Kurve 22 und der schraffierte Teil einander überlappen, werden die Strom/Spannungs-Kennlinien der Diode und die Leerlaufspannung Voc der resultierenden Solarzelle verschlechtert. Dies erklärt die niedrige Leerlaufspannung Voc, die in der Fig. 1 durch die Kurve 11 im Temperaturbereich von 700 bis 8000C dargestellt ist. Liegt jedoch die Glühtemperatur oberhalb von 8500C, so überlappen sich die Tiefen 22 und 23 offensichtlich nicht. Entsprechend Fig. 1 liefern Beispiele dieser Bedingungen im wesentlichen die gleiche Leerlaufspannung Voc wie bei einer Solarzelle., die nach einer mit Massentrennung durchgeführten Ionen-Implantation in feuchtem Sauerstoff geglüht wird.In FIG. 2, curve 21 with the solid points represents the thickness of the silicon layer transformed into an oxide film, while curve 22 with the open points represents the sum of the thickness of the oxidized silicon layer and the depth of the boundary layer, ie the depth of the boundary layer measured from the original silicon surface 20 before oxidation. The hatched area 23 in FIG. 2 represents the disturbed crystal region which is formed by H ions etc. during the implantation process at 25 keV. Under such annealing conditions in which the curve 22 and the hatched part overlap each other, the current / voltage characteristics of the diode and the open circuit voltage Voc of the resulting solar cell are deteriorated. This explains the low open circuit voltage Voc, which is shown in FIG. 1 by the curve 11 in the temperature range of 700 to 800 0 C. However, if the annealing temperature is above 850 0 C, then the depths 22 and 23 obviously do not overlap. According to FIG. 1, examples of these conditions provide essentially the same open circuit voltage Voc as in a solar cell which is annealed in moist oxygen after an ion implantation carried out with mass separation.
Die Leerlaufspannung Voc einer Solarzelle kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:The open circuit voltage Voc of a solar cell can be expressed by the following equation:
Voc = In(Voc = In (
* J * J
wobei η der Diodenfaktor, k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur (in Kelvin), q die Größe der elektrischen Ladung, JT die Fotostromdichte und J die Dioden-where η is the diode factor, k the Boltzmann constant, T the absolute temperature (in Kelvin), q the size of the electrical charge, J T the photocurrent density and J the diode
Ju OJu O
Sättigungsstromdichte bedeuten. Dementsprechend ist die Leerlaufspannung Voc eine Funktion von η und J , die charakteristische Werte der Diodenstrom/Spannung-Kennlinien sind. Bei einer idealen, durch den Diffusionsstrom beherrsch-Mean saturation current density. Accordingly, the open circuit voltage Voc is a function of η and J, the characteristic one Values of the diode current / voltage characteristics are. With an ideal, controlled by the diffusion flow
ten Diode gilt für den Faktor η die Gleichung η = 1. Der Faktor η steigt über 1 an, wenn der Anteil des Erzeugungs-Rekombinationsstromes ansteigt, und gleichzeitig steigt der Wert von J an, was zu einer Abnahme von Voc führt. Die Abnahme bei J steht in Beziehung zur Größe des Sperrstromes, und eine hohe Leerlaufspannung Voc entspricht einem niedrigen Sperrstrom.th diode, the equation η = 1 applies to the factor η Factor η increases over 1 if the proportion of the generation recombination current increases, and at the same time the value of J increases, resulting in a decrease in Voc. The decrease in J is related to the magnitude of the reverse current, and a high open circuit voltage corresponds to Voc a low reverse current.
Die voranstehende Beschreibung bezog sich auf den Fall einer Implantationsenergie von 25 keV. Eine Änderung der Implantationsenergie ändert natürlich die Tiefe des gestörten oder mit Kristalldefekten versehenen Gebietes, das in der Fig. mit 23 bezeichnet ist. Dementsprechend ändert sich die optimale Glühtemperatur mit der Tiefe des gestörten Gebietes 23. Es gibt also optimale Werte der Temper- oder Glühbedingungen (insbesondere für die Temperatur) für einen Satz von Implantationsbedingungen (insbesondere der Implantationsenergie) . The above description related to the case of an implantation energy of 25 keV. A change in implantation energy naturally changes the depth of the disturbed or crystal-defective area, which is shown in Fig. is denoted by 23. Accordingly, the optimal annealing temperature changes with the depth of the disturbed area 23. So there are optimal values of the annealing or annealing conditions (especially for temperature) for a set of Implantation conditions (in particular the implantation energy).
Bei dem voranstehenden Ausführungsbeispiel werden die Nachteile der Vorrichtung beseitigt, die bei einer Ionen-Implantation dem Fehlen einer Massentrennung zuzuschreiben sind, und erreicht Kenngrößen der Vorrichtung, die jenen von Vorrichtungen vergleichbar sind, die durch Ionen-Implantation " mit Massentrennung hergestellt wurden. Damit wird ein Verfahren zur Bildung einer pn-Grenzschicht angegeben, das konstruktionsmäßig den Vorteil eines Ionen-Implantationsgerätes ohne Massentrennung sowie den Vorteil der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit einer Ionen-Implantation ohne Massentrennung besitzt.In the above embodiment, the disadvantages of the device are eliminated, which are associated with an ion implantation are attributable to the lack of mass separation, and achieve device characteristics that are those of devices are comparable to those produced by ion implantation "with mass separation. This creates a process for the formation of a pn boundary layer, which has the structural advantage of an ion implantation device without mass separation and the advantage of the high processing speed of ion implantation without Owns mass separation.
Obwohl in der voranstehenden Beschreibung die Implantationsenergie mit 25 keV angegeben wurde, erhält man ähnliche Ergebnisse im Energiebereich von 20 bis 50 keV.Although in the preceding description the implantation energy was given as 25 keV, one obtains similar results in the energy range from 20 to 50 keV.
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- 1984-09-19 FR FR848414336A patent/FR2552265B1/en not_active Expired - Lifetime
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