Temperature-dependent carrier lifetime measurements on silicon wafers and bricks

Abstract

Dette arbeidet presenterer en ny metode for å måle temperaturavhengig ladninsbærer levetid i krystallinske silisium wafere, bricks og ingots. Det eksperimentelle oppsettet består av en BCT-300 ladningsbærer levetidsmåler fra Sinton Instruments sammenkoblet med et Peltier-element og en temperatur kontroll. For å sikre elektrisk isolasjon mellom silisum prøven og Peltier-elementet, er en 5 mm tykk kvartsplate montert på Peltier-elementet.

BCT-300-instrumentet mulligjør to måleteknikker, kvasi-likevektstilstand fotokonduktans (QSSPC) og transient fotokondutans decay. Metoden er testet i et temperaturintervall på 10-75 ˚C, som representerer det nordiske klimaet. De målte silisiumprøvene inkluderer 4 monokrystallinske bricks, 2 multikrystallinske (mc-Si) bricks, 2 mc-Si-wafere og 8 monokrystallinske wafere. Alle prøvene er p-type, bor-dopet, med unntak av 2 av monokrystallinske wafere som er n-type, forfor-dopet. Resultatene viser at den utviklede metoden effektivt måler temperaturavhengigheten til ladningsbærer levetiden høyere enn 1 µs innenfor det undersøkte temperaturområdet. Temperaturavhengigheten som ble observert for de fleste prøvene er i samsvar med Shockley-Read-Hall-ligningen under betingelser med lavt injeksjonsnivå. Begrensningene til metoden er knyttet til det fysiske oppsettet til BCT-300-instrumentet og Peltier-elementet.

I tillegg er den tidsmessige stabiliteten til en passivering bestående av a-Si:H/a-SixNy:H på to p-typede bor-doped monokrystallinske wafere gjennom en 10-ukers studie undersøkt. Den første prøven, en czochralski silisium wafer viser stabilisering av passiveringslaget etter 600 timer med en degradering på 50% fra den initielle målingen av ladningsbærer levetiden. Den andre prøven, en float-zone silisium wafer, viser en kontinuerlig negang i ladningsbører levetiden gjennom de 10-ukene. Degraderingen som er observert konkluderes å være et resultat av lysindusert nedbrytning, et ikke-uniformt passiveringslag og et skadd passiveringslag.

Avlustende ser arbeitet på muligheten til å utføre en temperaturavhengig levetidsspektroskopi (TDLS) analyse ut fra den oppnådde dataen. Forenklinger og antagelser ble tatt i betraktning under utførelsen av denne analysen. Dette begrenser nøyaktigheten til de oppnådde resultatene. Den utviklede metoden kan brukes til å utføre en TDLS-analyse.

This work presents a novel method to measure the temperature-dependent carrier lifetime of crystalline silicon wafers, bricks and ingots. The method uses a BCT-300 from Sinton Instruments paired with a Peltier element connected to a temperature controller. To ensure electrical insulation between the measured sample and the Peltier element a 5 mm thick quartz plate is mounted on the Peltier element.

The BCT-300 instrument allows measurements with the Quasi-Steady-State Photoconductance (QSSPC) technique and transient photoconductance decay technique. The method has been tested in a temperature range of 10-75 ˚C representing the Nordic climate. The silicon samples measured consist of 4 monocrystalline bricks, 2 multi-crystalline (mc-Si) bricks, 2 mc-Si wafers, and 8 monocrystalline wafers. All samples are p-typed boron doped, except 2 of the monocrystalline wafers that are n-typed phosphorus doped. The results show that the proposed method effectively measures temperature-dependent minority carrier lifetimes higher than 1 µs within the studied temperature range. The temperature dependence found for most samples aligns with the Shockley-Read-Hall equation under low-level injection conditions. The limitations of the method are related to the physical setup of the BCT-300 instrument and the Peltier element.

The thesis also investigates the temporal stability of stack passivation using a-Si:H/a-SixNy:H on two p-type boron-doped monocrystalline wafers through a 10-week study. The first sample, a Czochralski-grown wafer, shows stabilization of the passivation layer after 600 hours with degradation of 50% from the initial carrier lifetime measurement. The second sample, a float zone-produced wafer, shows a continuous decrease in the carrier lifetime through the 10-week period. It is concluded that light-induced degradation, a nonuniform passivation layer and a damaged passivation layer is responsible for the degradation. Lastly, the thesis investigates the possibility of performing temperature-dependent lifetime spectroscopy (TDLS) analysis on the obtained data. Simplifications and assumptions are taken into account while performing this analysis which offers limitations in the accuracy of the obtained results. However, by using the developed method TDLS analysis can be performed.