2. gyakorlat

1. 2. gyakorlat Készítette: Földváry Árpád e-mail: foldvary@eet.bme.hu

2. Si adalékolása • Ionimplantáció • hideg eljárás • adalékbevitel elektromos energiával • kristályroncsolódás • helyreállító hőkezelés • tetszőleges profil! Napelemek - 2. gyakorlat

3. Si adalékolása Napelemek - 2. gyakorlat

4. Si adalékolása napelemben • Szelektív emitter • egyszerű és folyamatos eljárás • teljesen automatizálható • nagy hatásfok is elérhető Napelemek - 2. gyakorlat

5. Si adalékolása • Szilárd fázisú diffúzió • magas hőmérsékletű folyamat • adalékbevitel termikus energiával, hajtóerő: koncentráció gradiens • párhuzamosan oxidréteg kialakítható • profil: exponenciális függvények, felületi maximum Napelemek - 2. gyakorlat

6. Si adalékolása Napelemek - 2. gyakorlat

7. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si vakancia adalék atom Diffúziós mechanizmus Az adalékanyag mozgása két mechanizmussal történhet: - rácsközi (intersticiális) módon - rácsponti (szubsztitúciós) módon Intersticiális Szubsztitúciós adalék atom Napelemek - 2. gyakorlat

8. Diffúziós mechanizmus • Valamennyi adalékatom (P, As, Sb, B, In, Ga, stb.)szubsztitúciós mechanizmussal diffundál a Si-ban. • Au és egyes fém atomok jellemzően intersticiális mechanizmussal diffundálnak (igen gyors diffúzió!). • Szubsztitúciós diffúzió vakanciák megléte esetén mehet végbe. • Vannak olyan diffúziós mechanizmusok is, melyek folyamán szubsztitúciós adalékok mind a vakanciákat, mind az intersticiális helyeket kihasználják. Napelemek - 2. gyakorlat

9. Diffúziós állandó Feltételezzük, hogy a diffúziós állandó NEM függ az adalékkoncentrációtól, valamint D0 függ a hőmérséklettől, de a diffúzióra használt hőmérsékleteken elhanyagolható. A diffúzió hőmérsékletfüggése exponenciális, a diffúziós állandón keresztül jellemezhető. Napelemek - 2. gyakorlat

10. Diffúziós állandók Si-ban Napelemek - 2. gyakorlat

11. Diffúziós állandók SiO2-ban Napelemek - 2. gyakorlat

12. A diffúzió matematikája A diffúzió olyan mechanizmus, melyben az atomok véletlenszerű (Brown) mozgással haladnakkeresztül egy testen. Az 1800-as évek közepén Fick két differenciál egyenletet adott meg, egy vékony membránon keresztüli anyagáramlás jellemzésére. Fick I. egyenlet: Napelemek - 2. gyakorlat

13. A diffúzió matematikája Fick II. egyenlet: kimondja, hogy a membránon keresztül a koncentráció időbeli megváltozása arányos az ugyanitt fellépő koncentráció gradiens megváltozásának sebességével: A koncentráció hely szerinti függésének, N(x) meghatározásához megadott határfeltételek mellett kell megoldani, de D nem helyfüggő feltételezéssel. Napelemek - 2. gyakorlat

14. Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett • Állandó felületi koncentráció biztosításának esete,anyagfelvitel a felületre. • Kezdeti feltétel: • N(x>0, t=0) = 0 • Határfeltételek: • N(x=0, t>0) = N0 = állandó • (szilárd oldékonyság szabja meg az adott hőfokon) Napelemek - 2. gyakorlat

15. Szilárd oldékonyság Napelemek - 2. gyakorlat

16. Leválasztás Napelemek - 2. gyakorlat

17. Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett A határfeltételek behelyettesítésével megkapjuk a profil-egyenletet, amely egy erfc függvény: A p-n átmenet mélysége abból a feltételből határozható meg, hogy a p-n átmeneten N(x)=NB NB – szelet adalékkoncentrációja Hibafüggvény menete Napelemek - 2. gyakorlat

18. lgN No = állandó felületi koncentráció N0 tl1tl2 tl3 NB x1 x2 x3 X, μm Diffúzió állandó felületi koncentráció mellett tl3> tl2> tl1 tl = leválasztás ideje Qa bevitt anyagmennyiség, vagyis a görbe alatti terület Napelemek - 2. gyakorlat

19. Leválasztás paramétereinek számítása NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil erfc függvényén. pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1000°C; Dl=3∙10-14 cm2/s; tl=1500s Napelemek - 2. gyakorlat

20. Diffúzió profilja (erfc függvény) Napelemek - 2. gyakorlat

21. Diffúziós állandók Si-ban Napelemek - 2. gyakorlat

22. adalékolttartomány SiO2 SiO2 xj Si Kétlépéses diffúzió: leválasztás (elő-diffúzió) • Állandó felületi koncentráció biztosítása: leggyakrabban kemencében, 900-1100ºC közötti hőmérsékleten, állandó diffúziós forrásból választjuk le N2 gázban. Így a felületen nem alakul ki „védőréteg”. • Időtartama 30-60 perc. • A forrás lehet szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotú. • xj≤ 0.5μm(többnyire tized μm) Napelemek - 2. gyakorlat

23. Diffúziós források • A gyakorlatban alkalmazott adalékanyagok: • p: B, Ga, In, Al • n: P (nagy szilárd oldékonyság, anomáliák), As (kis D), Sb • Diffúziós források típusai: • szilárd: B2O3; P2O5; As2O3 • folyadék: Foszfor-oxid-klorid (POCl3); BBr3; AsCl3 • gáz: Diborán (B2H6); Foszfin (PH3); AsH3 • Legjobban kezelhetők a technológia szempontjából a gáz halmazállapotú források, inert vivőgázba keverve (0,1-1%), de: mérgezőek vagy robbanásveszélyesek. Napelemek - 2. gyakorlat

24. Diffúziós kályha és a gázrendszer Kifújás Gáztisztító berendezés Gáz égetés Gáz vezérlő Diffúziós cső PH3 N2 O2 H2 Napelemek - 2. gyakorlat

25. Diffúzió szilárd forrásból bór tárcsából: 2B2O3 + 3Si → 4B + 3SiO2 A leválasztás csak semleges gázban történhet Napelemek - 2. gyakorlat

26. Behajtás Napelemek - 2. gyakorlat

27. Diffúzió véges anyagmennyiségből Behajtás: az adalékatomokat a felület közeléből a megkívánt mélységbe juttatjuk. • Kiindulási feltétel: már van felvitt anyag a felület közelében. • Határfeltétel: • azaz nem vész el adalékatom az oxidba • Q= állandó Napelemek - 2. gyakorlat

28. Diffúzió véges anyagmennyiségből • A behajtás rendszerint oxidációval együtt történik (további maszkolás céljából), ezért a ∂N(x,t)/∂x|x = 0 feltétel NEM IGAZ! • Adalékanyag mindig átkerül az oxidba, részben a befelé növekedő oxid miatt, részben az adalékatomok szegregációja miatt. • Továbbá: annak feltétele, hogy a határfeltétel szerint x=0 helyről számíthassuk a profilt az, hogy az ott lévő anyag valóban végtelenül kis mélységben legyen. Napelemek - 2. gyakorlat

29. lgN N0 Q = állandó(görbe alatti terület) tb1tb2 tb3 NB X, μm x1 x2 x3 Diffúzió véges anyagmennyiségből A kialakult diffúziós profil Gauss eloszlású tb3> tb2> tb1 tb = behajtás ideje Napelemek - 2. gyakorlat

30. Behajtás paramétereinek számítása NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil Gauss függvényén. pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1100°C; Dl=3∙10-13 cm2/s; tb=1500s Napelemek - 2. gyakorlat

31. Diffúzió profilja (Gauss függvény) Napelemek - 2. gyakorlat

32. Diffúziós állandók Si-ban Napelemek - 2. gyakorlat

33. SiO2 SiO2 SiO2 Si Kétlépéses diffúzió: behajtás • Termikus úton a megkívánt xj mélységig hajtjuk a diffundáltatandó anyagot. • Q ≈ állandó, állandó anyagmennyiséget diffundáltatunk. • Általában kemencében 1000-1300ºC között végzik. • Időtartama:30 perctől akár 10 óráig. • Oxigén áramban végezhető, ekkor SiO2nő további maszkolás céljából. xj Napelemek - 2. gyakorlat

34. Diffúzió minősítése Napelemek - 2. gyakorlat

35. V A I S S S A szelet Négy tű A diffúziós réteg minősítése: négytűs mérés Kimutatható, hogy: Napelemek - 2. gyakorlat

36. Fajlagos ellenállás (Irvin görbe) 4 tűs mérés → Rs A diffundáltatott réteg p-típusú, valamint w = xj Rs= 50 Ω/□ xj= 1,5 μm Napelemek - 2. gyakorlat

37. Diffúziós mélység meghatározása • Gömbcsiszolással: • Egy nagy átmérőjű gömbbel belecsiszolunk a szeletbe. • A csiszolatra ezüst-nitrátot cseppentünk és előhívjuk. • Az előhívás hatására az n-típusú rétegre kiválik az ezüst. Napelemek - 2. gyakorlat

38. d1 d2 Diffúziós mélység meghatározása D=44,5mm – csiszoló gömb átmérője d1=belső kör átmérője d2=külső kör átmérője Napelemek - 2. gyakorlat

39. Diffúziós mélység meghatározása SRP:spreading resistance probe Napelemek - 2. gyakorlat