成果報告書詳細
管理番号100013383
タイトル平成18年度-平成19年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 太陽光発電システム未来技術研究開発 低コスト原料を使用したロバスト多結晶シリコン製造技術の研究開発(インゴット評価)
公開日2009/3/6
報告書年度2006 - 2007
委託先名学校法人明治大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー技術開発部
和文要約多結晶シリコン基板内の電気特性の分布と結晶工学的な評価を詳細に比較検討するために5×5cmのキャスト法による多結晶Si基板の全面に、微小なpnダイオードアレイを形成し、順方向の理想値(n値)や逆方向リーク電流などの電気的特性分布を測定した。n値は1.8-4で分布し、同プロセスで作製した単結晶Si基板上のp-nダイオードの分布を大きく超える。リーク電流も同様な分布、すなわちn値が大きいダイオードはリーク電流も大きい傾向が観測された。電気特性が特徴的な3種のダイオードについて、光学顕微鏡写真とPLミクロマッピング像を取得した。ダイオードAの特性はn=3.2、IL=3.26×10-6[A]、ダイオードBとCの各電気特性値は、それぞれB:n=1.86、IL=6.0×10-9[A]、C:n=3.42、IL=2.1×10-8[A]と顕著な差が観測された。ダイオードAには結晶粒界が観察され、電気特性の劣化の原因と考えられる。BおよびCには共に結晶粒界が存在しない上、顕著な差は見られない。以上より、結晶粒界が存在しないダイオードにも電気特性には大きな差が生じる場合があることが明らかとなった。そこで、ダイオードBとCに関してPLマッピング測定を行ったところ、ダイオードCには全体の発光強度よりも低い線状のコントラスト(以下PL欠陥)が観測された。PL欠陥のより具体的な起源を明らかにするために、測定温度を変化させて、種々の発光波長を用いたPLマッピング測定を行い、Dラインと呼ばれる欠陥と関連することが判明した。Dラインは、シリコン中の転位と重金属汚染及び酸素析出物の複合体である。そこで、重金属の種類を特定するためにDLTS測定を行った。DLTSスペクトルの解析の結果、シリコン中にFe元素が含まれているときに特有の特徴を示した。転位による応力が重金属を捕獲することはよく知られていて、成長時に混入したFeが転位と複合体を形成し、電気特性に影響を与えたものと推察される。以上により、粒界に次いで電気特性の劣化をもたらすことが分かったPL欠陥に、転位に代表される結晶欠陥とFe汚染が重要な関連を持つことが分かった。そこで太陽電池用多結晶シリコン基板における特徴的なエッチピットを示す3種類の結晶欠陥について原子レベルでの構造解析を行った。さらにFeの挙動を詳細に評価するために、Feの強制汚染を施しゲッタリング処理の前後をシンクロトロン放射光とSEM/EDXで評価し、汚染Feが特定の結晶粒に集まること、ゲッタリング処理で結晶粒をかこむ複数の粒界のうち特定の粒界にFeがゲッターされることを確認した試料を、ラマンマッピング及びFIB/TEMでさらに詳細に評価した。その結果、Feを集めやすいことが確認された結晶粒では、周りに比べて圧縮応力の集中が見られることが分かった。さらに、ゲッタリング後にFeを集めやすいことが確認された粒界で、局所的に大きな応力集中があることを確認した。FIB/TEMで該粒界に析出物が生じていることを確認し、EDSによる元素分析と元素マッピング測定で、その析出物がFeを多く含むことを確認した。すなわち、Fe汚染を極小化し、良好な電気特性を得るためには結晶成長の制御により結晶中に残留応力の集中が生じないような対策が必要となる。今回測定された圧縮応力の集中は、成長時に過冷却が生じたことによると考えられる。したがって、熱平衡での結晶成長が効果的であり、凝固・サイクル成長法(SRS)の効果が大きいと考えられる。
英文要約A minute pn diode array was formed on multi-crystal Si substrate formed by the cast method of 5×5cm so that it may make comparative study of distribution of electrical properties in the multi-crystal substrate and an evaluation of the crystal quality. The electrical characteristic distribution of the pn junction such as the ideal factors (n value) and the reverse direction leakage currents was measured. n value of the diode is distributed between 1.8 and 4, and exceeds the distribution of the p-n diode on single crystalline Si substrate made by the same process. The leakage current showed similar distribution, that is the diode with large n value tended to have large leakage current. An optical photomicrograph and PL micro mapping image of three kinds of diodes were acquired. As for the characteristic of diode A, each electrical properties value of n=3.2 and IL=3.26×10-6 A, and those for diode B and C were B: n=1.86 and IL=6.0×10-9 A, C: n=3.42 and IL=2.1×10-8 A, respectively. The grain boundary is observed in diode A, and it is thought that this grain boundary was a cause of the deterioration of electrical properties. However, no grain boundary was observed in both B and C. Therefore, it became clear that the grain boundary deteriorate the electric properties, and there was a large difference in the electrical properties even in the diodes where the silicon grain boundary did not exist. Instead dark line contrast was observed in a PL mapping image in diode C. To clarify a more concrete origin of PL defect, PL mappings with various luminescence wavelengths were evaluated. It turned out that the defect observed by PL was related to so-called D line defects. D line is defined as a complex of the dislocations, heavy-metal contaminations, and oxygen precipitates. Then, to specify the kind of the heavy metal, DLTS was measured. A peculiar feature with the Fe contamination was shown as a result of the analysis of the DLTS spectrum. It is well known that the dislocation captures heavy metal contaminants; therefore it can be guessed that the complex of Fe and dislocation deteriorated the electrical characteristics. As described above, it was clarified that the crystalline defects and Fe contamination significantly affect on the electrical characteristic. Therefore, we evaluated the detailed structures of crystalline defects showing three kinds specific etch pits. We also evaluated the behavior of Fe in the multi-crystal Si substrate by Raman spectroscopy, FIB/TEM, and EDS. It was confirmed that the Fe tends to gather at a grains with compressive strain and to be gettered after annealing process at a highly strained grain boundary. So, we concluded that it is indispensable to grow the multi-crystal Si substrate remaining strain as less as possible. Thus, SRS process, proposed our research group, is thought be effective to grow high quality multi-crystal Si substrate.
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