TEM characterization of tungsten-implanted silicon - A study of a potential intermediate band solar cell material

Abstract

Det globale miljøet, er et voksende tema av bekymring. Men ulike handlinger er satt i verks, og skal igangsettes for å imøtekomme dagens og morgendagens miljøproblemer. Utviklingen og forbedringer av solceller for å generere miljøvennlig energi mer effektivt, er blant de tiltak som gjøres for å redusere bruk av fossilt brensel til å generere strøm. I den forbindelse, er en foreslått måte å øke solcelle-effektiviteten på, å bruke et materiale med et mellomliggende energibånd mellom en halvleders valens og ledningsbånd. Da kan Shockley-Queisser-grensen kanskje unngås, og lav-energiske fotoner kan da bidra til en effektivisert strømproduksjon.

For å kunne bruke et mellomliggende energibånd-materiale, så må det først lages. En mulig måte å gjøre det på, er å implantere et innskuddsmetall som f.eks. wolfram (W), i en silisium- (Si) matrise. Det har riktignok blitt rapportert at W innfører ladnings-fellesentre i Si-båndgapet. Men dersom W blir introdusert i konsentrasjoner over løselighetsgrensen, kan enkelte, delvis fylte og nært mellomliggende bånd bli dannet. Materialet kan da kanskje bli brukt i forbindelse med solceller.

I dette prosjektet har wolfram blitt ione-implantert i float-zone silisiums-wafere, med makskonsentrasjoner på 0.01, 0.1, 0.2, 1 og 2 at.% (referert til som doser). Områder på waferne har deretter blitt rekrystalliser, med bruk av pulsert lasersmelting med en energitetthet på 0.9 Jcm-2 og 1.8 Jcm-2. Elektrontransparente as-implanted og rekrystalliserte prøver fra 0.1-, 1- og 2-dose-bulkprøvene - klargjort med fokusert ionestråle, har blitt karakterisert med transmisjon elektronmikroskopi-teknikker, og energi-dispersiv røntgen-spektroskopi. Analyser viser at ioneimplantering gjør halvledermaterialet amorft.

Rekrystalliserte prøver ved bruk av en laserpuls på 0.9 Jcm-2, rekrystalliserer ikke hele det amorfe området. Det smeltede underkjølte silisiumet, rekrystalliseres til et lag med store polykrystaller av størrelsesorden 0.1-1 um, mens varmeoverføring og energi fra størkningen antas å utløse eksplosiv krystallisering. Resultatet er et polykrystallinsk lag med store krystaller som gror fra det amorfe/flytende grensesjiktet mot prøveoverflaten, og et polykrystallinsk lag med fine korn som gror uordnet i motsatt retning. De fine kornene er av størrelsesorden <0.1 um.

Det implanterte innskuddsmetallet i de rekrystalliserte polykrystallinske prøvene, har segregert til WxSiy-presipitater. Morfologien til disse presipitatene, er tråd-lignende/filamentlignende strukturer, samt diskontinuerlige filamenter. Strukturene er observert i alle de polykrystallinske prøvene, men kun i laget med store polykrystaller. De W-rike filamentene, er mer fremtredende med økende W-konsentrasjoner.

Rekrystalliserte prøver ved bruk av en laserpuls på 1.8 Jcm-2, rekrystalliserer hele det amorfe området. Krystallorienteringen er observert å være bestemt av det underliggende krystallinske silisiumet. Dette indikerer at den underkjølte smelta, gror epitaksielt. W er også observert segregert til WSi-presipitater i disse prøvene, men hovedsakelig i diskokntinuerlige filamenter.

Energi-dispersiv røntgen-spektroskopi detekterer en maksimum W-konsentrasjon for as-implanted-prøvene med 1 og 2 at.%. 0.1 at.% er kanskje for lavt for EDS-systemet å detektere, med god sikkerhet. Toppene er posisjonert omtrent 0.6 um under prøveoverflaten, noe som er 0.1 um dypere enn TRIM-beregningene. Fordelingsprofilene til de rekrystalliserte prøvene av dose 1 og 2, viser en liten samplet bevegelse mot prøveoverflaten. Dette indikerer at W har en lav diffusjon i silisium, som forventet.

Global environment, is a growing topic of concern. However, different actions are set, and about to be set, to comply with environmental issues of today and tomorrow. Amongst the attempts to e.g. reduce the use of fossil fuels to generate electricity, is the development and improving of photovoltaic cells to generate environmental friendly power more efficiently. A suggested method for increasing solar cell efficiency, is to use a material with an intermediate energy band. The energy band is positioned between the valence, and the conduction band of a semiconductor. The Shockley-Queisser limit can then perhaps be avoided, and low energetic photons may contribute to electrical power generation.

An intermediate band material must be manufactured, and a possible method is to implant a transition metal such as tungsten (W), into a silicon (Si) matrix. W has however, been reported to induce carrier trap centers in silicon band gap. Nevertheless, if W is introduced in concentrations beyond the equilibrium solubility limit, single partially filled near mid-gap band may be formed. If this is accomplished, the material can be utilized for solar cell application(s).

In this work, tungsten is ion implanted in float-zone silicon wafers, to obtain W peak concentrations of 0.01, 0.1, 0.2, 1 and 2 at.% (referred to as dosages). Areas on the wafers have subsequently been recrystallized, using pulsed laser melting with an energy density of 0.9 Jcm-2 and 1.8 Jcm-2. Electron transparent as-implanted and recrystallized samples from the 0.1, 1 and 2 dosage bulk samples - prepared using focused ion beam, have been characterized using transmission electron microscopy techniques, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Analysis reveal that ion implantation amorphizes the semiconducting host material.

Recrystallized samples using a laser pulse of 0.9 Jcm-2, does not recrystallize the entire amorphized volume. The melted undercooled silicon, recrystallizes into a layer of large polycrystals of size 0.1-1 um, whilst heat dissipation and energy from the solidification is hypothesized to induce explosive crystallization. The result is a large polycrystalline layer, growing from the amorphous/liquid interface towards the sample surface. A fine polycrystalline region is also growing, but disorderly in the opposite direction. The fine polycrystals are of size <0.1 um.

The implanted transition metal in the polycrystalline samples, is observed segregated into WxSiy precipitates. The precipitates form complex thread-like/filamentary structures, and discontinuous filaments in all the polycrystalline samples. These morphologies, are only observed in the large polycrystalline regions. The W-rich filaments, are more prominent with increasing dopant concentration.

Recrystallized samples using a laser fluence of 1.8 Jcm-2, recrystallizes the entire amorphized volume. The crystal orientation is observed to be determined by the underlying crystalline silicon, indicating that the undercooled melt regrows epitaxially. Tungsten segregation is also observed in all the completely recrystallized samples, but mainly shaped as discontinuous filaments.

Energy dispersive spectroscopy detects a W peak concentration for the as-implanted samples of 1 at.% and 2 at.%. 0.1 at.% is perhaps too low for the EDS system to detect accurately. The peaks are located approximately 0.6 um underneath the sample surface, which are 0.1 um deeper than TRIM simulations. The distribution profiles of the recrystallized samples of dosage 1 and 2, show a small overall movement towards the sample surface. This indicate that W has a slow diffusion in silicon, as expected.