Study and investigation of oxygen related defects in Czochralski silicon ingots

Abstract

Etter hvert som oppmerksomheten mot klimakrisen har økt de siste arene, har også interessen for bedre ytelse til grønne energikilder økt. Et eksempel på slike energikilder er monokrystallinske silisium solceller, for hvilke silisiumet produseres ofte ved Czochralski-prosess. Undersøkelse av blokker produsert ved denne metoden er nøkkelen til ytterligere forbedring av prosessen, noe som er viktig for å møte det økende materialbehovet.

Oksygendefekter er en av hovedkildene til forverring av levetiden til monokrystallinske Czochralski silisium blokker for solcelleproduksjon. Innholdet og distribusjon av interstitiell oksygen i to silisium blokker produsert med forskjellige trekkhastigheter av Norsun AS, ble tidligere undersøkt i forbindelse med emnet TMT4500, Fordypningsprosjekt. Denne masteroppgaven hadde da som formål å studere effekten av oksygeninnhold og oksygenrelaterte defekter på elektriske egenskaper til prøvene ved bruk av Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) og Atomic Force Microscopy (AFM). Prøvene som ble karakterisert i denne oppgaven var varierende med hensyn til termisk historie, posisjon i blokken og trekkhastigheten som ble brukt ved produksjonen. Totalt seksten prøver ble preparert for undersøkelsene; åtte som ble gjort om til dioder og videre undersøkt for dypt liggende defekter ved bruk av DLTS-teknikken, og ytterligere åtte var ment til å bli studert for overflate-topografi og strømkart ved bruk av conductive Atomic Force Microscopy (c-AFM). Ytelsen av de preparerte diodene var studert ved IV- og CV-malinger som avdekket problemer med diode-preparering.

Som resultat av de ovennevnte målingene ble en ny og mer stabil metode for diode-prepareing foreslått, som er det viktigste resultatet av denne masteroppgaven. Ingen direkte sammenheng ble funnet mellom interstitiell oksygen-innhold og de elektriske egenskapene karakterisert i oppgaven. Generelt ble det observert at de varmebehandlede prøvene viste en mer ustabil oppførsel under målingene, men en sikker konklusjon for denne mekanismen kunne ikke bli trukket på grunn av usikre resultater. Ingen klar sammenheng ble funnet mellom trekkhastigheten eller posisjon i blokken og de elektriske egenskapene, selv om det var forskjeller i resultater mellom prøvene. Videre undersøkelser av dette emnet bør utføres ved bruk av den nye foreslåtte metoden for diode-preparering.

Nøkkelord: CZ-silisium, diode-preparering, termiske donorer, oksygenrelaterte defekter.

As the attention to the climate crisis has been getting larger in the past years, the interest in better performing green energy sources has been increasing accordingly. An example of such a source are monocrystalline silicon solar cells, for which the silicon is often produced by the Czochralski process. Investigating ingots produced by this method is the key for further improvement of the production process, which is needed to fulfill the increasing material demand.

Oxygen defects are one of the main sources for lifetime deterioration in monocrystalline Czochralski silicon for solar cell applications. The amount and distribution of interstitial oxygen in two silicon ingots, produced with different pulling speeds by NorSun AS, were previously studied for the purpose of TMT4500, Specialization Project. This master’s thesis work was therefore aiming to study the effect of oxygen content and oxygen related defects on the electrical properties of the samples, by the use of Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and Atomic Force Microscopy (AFM). The samples were varying in terms of thermal history, different position in the ingot, and the pulling speed at which the ingot was produced. In total sixteen samples were prepared for the investigation; eight to be made into diodes, and further studied for the presence of deep level defects by the DLTS-technique, and another eight were meant to be studied for the surface topography and current maps by the use of conductive Atomic Force Microscopy (c-AFM). The performance of the prepared diodes was studied by IV- and CV-measurements which revealed problems with the diode preparation.

As a result of these measurements a more stable method for diode preparation has been proposed, which is the most important result of this thesis. A direct correlation between the interstitial oxygen content and the electrical properties measured in this project, has not been found. It has been found that in general the heat treated samples show a more unstable behaviour during the measurements, however a certain conclusion to this mechanism could not been drawn due to unreliable results. No clear correlation between the pulling speed or the original position in the ingot and the electrical properties has been found, despite obtaining different results for the different samples. A further investigation of this topic should be performed using the proposed new method of diode preparation.

Keywords: CZ-silicon, diode-preparation, thermal donors, oxygen related defects.