2. gyakorlat

2. gyakorlat

Készítette: Földváry Árpád

e-mail: [email protected]

Földváry Árpád Napelemek - 2. gyakorlat 2/39

Si adalékolása

• Ionimplantáció– hideg eljárás– adalékbevitel elektromos energiával– kristályroncsolódás– helyreállító hőkezelés– tetszőleges profil!


Si adalékolása


Si adalékolása napelemben

• Szelektív emitter– egyszerű és folyamatos eljárás– teljesen automatizálható– nagy hatásfok is elérhető


Si adalékolása

• Szilárd fázisú diffúzió– magas hőmérsékletű folyamat– adalékbevitel termikus energiával,

hajtóerő: koncentráció gradiens– párhuzamosan oxidréteg kialakítható– profil: exponenciális függvények,

felületi maximum


Si adalékolása


Diffúziós mechanizmusDiffúziós mechanizmus

Az adalékanyag mozgása két mechanizmussal történhet:

- rácsközi (intersticiális) módon

- rácsponti (szubsztitúciós) módon

Si Si Si

Si

Si

SiSi

adalék atom

vakancia

Si Si

Si Si

Si

Si

Si

SiSi

adalék atom

Intersticiális Szubsztitúciós


Diffúziós mechanizmusDiffúziós 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.


Diffúziós állandóDiffúziós állandó

Feltételezzük, hogy a diffúziós állandó NEM függ az adalékkoncentrációtól, valamint D0 függ a hőmérséklettől, de a diffúzióra használt hőmérsékleteken elhanyagolható.

hatómeghatároz ól táblázatbE ésD

eV/K108.62 állandóBoltzmann k

baneV energia aktivációs E

A 0

5-

A

kTA

Eexp

0DD

A diffúzió hőmérsékletfüggése exponenciális, a diffúziós állandón keresztül jellemezhető.


Diffúziós állandók Si-banDiffúziós állandók Si-ban


Diffúziós állandók SiODiffúziós állandók SiO22-ban-ban


A diffúzió matematikájaA diffúzió matematikája

A diffúzió olyan mechanizmus, melyben az atomok véletlenszerű (Brown) mozgással haladnak keresztül egy testen.

Az 1800-as évek közepén Fick két differenciál egyenletet adott meg, egy vékony membránon keresztüli anyagáramlás jellemzésére.

(cm) távolság-x

)(atoms/cm iókoncentrácadalék - N

/sec)(cm állandója diffúziósadalék az - D

/sec)(atom/cm fluxus diffúziós a - J

3

2

2

xNDJ

Fick I. egyenlet:


A diffúzió matematikájaA 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.

t

N

x

ND

2

2


t

N

x

ND

2

2

• Kezdeti feltétel:

N(x>0, t=0) = 0

• Határfeltételek:

N(x=0, t>0) = N0 = állandó

(szilárd oldékonyság szabja meg az adott hőfokon)

• Állandó felületi koncentráció biztosításának esete, anyagfelvitel a felületre.

Diffúzió állandó felületi koncentráció mellettDiffúzió állandó felületi koncentráció mellett


Szilárd oldékonyságSzilárd oldékonyság


Leválasztás



A határfeltételek behelyettesítésével megkapjuk a profil-egyenletet, amely egy erfc függvény:

ll

0tD2

xerfcNt)N(x,

Hibafüggvény menete

0

B1llj N

Nerfc tD2x

A p-n átmenet mélysége abból a feltételből határozható meg, hogy a p-n átmeneten N(x)=NB

NB – szelet adalékkoncentrációja



tl3 > tl2 > tl1

tl = leválasztás ideje

0ll N

π

tD2Q(t)

0

t)dxN(x,Q(t)

Q a bevitt anyagmennyiség,

vagyis a görbe alatti terület

X, μm

N0

lgN

No = állandó felületi koncentráció

x1 x2 x3

tl1 tl2 tl3

NB


Leválasztás paramétereinek számításaLeválasztás paramétereinek számítása

ll

0tD2

xerfcNt)N(x,

ll0

B

tD2

xerfc

N

N

NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil erfc függvényén.

lltD2

xz 8

ll2

j 10

t4Dzx

scmD

μmx2

j

pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1000°C; Dl=3∙10-14 cm2/s; tl=1500s

6-

0

B 102,5N

N 3,35z μm0,45x j


Diffúzió profilja (erfc függvény)Diffúzió profilja (erfc függvény)


Kétlépéses diffúzió: leválasztás (elő-diffúzió)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)

SiO2 SiO2

adalékolttartomány

Sixj


Diffúziós forrásokDiffúziós 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.


Diffúziós kályha és a gázrendszerDiffúziós kályha és a gázrendszer

PH3 N2 O2 H2

Gáz vezérlőDiffúziós cső

Gáz égetés

Gáztisztító berendezés

Kifújás


Diffúzió szilárd forrásbólDiffúzió szilárd forrásból

bór tárcsából: 2B2O3 + 3Si → 4B + 3SiO2

A leválasztás csak semleges gázban történhet


Behajtás


Diffúzió véges anyagmennyiségbőlDiffúzió véges anyagmennyiségből

Behajtás: az adalékatomokat a felület közeléből a megkívánt mélységbe juttatjuk.

t

N

x

ND

2

2

• Kiindulási feltétel: már van felvitt anyag a felület közelében.

• Határfeltétel:

azaz nem vész el adalékatom az oxidba

Q= állandó

0

x

tx,N

0x



• 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.

bb

2

t4D

x

ll

etπD

Qt)N(x,

Q

tπDNln t4Dx llB

bbj

sleválasztábehajtás DtDt



A kialakult diffúziós profil Gauss eloszlású

0ll

ll

0

Nπ

tD2Q

tπD

QN

tb3 > tb2 > tb1

tb = behajtás ideje

X, μm

lgN

Q = állandó (görbe alatti terület)

x1 x2 x3

tb1 tb2 tb3

N0

NB


bb

2

t4D

x

0 eNt)N(x,

Behajtás paramétereinek számításaBehajtás paramétereinek számítása

2bb

2

zt4D

x

0

B ey ~ eN

N

NB/N0 hányadoshoz tartózó z értékét megkeresni a diffúziós profil Gauss függvényén.

bbtD2

xz 8

bb2

j 10

t4Dzx

scmD

μmx2

j

pl: N0=4∙1020; NB=1015; T=1100°C; Dl=3∙10-13 cm2/s; tb=1500s

6-

0

B 102,5N

N 3,6z μm5,1x j


Diffúzió profilja (Gauss függvény)Diffúzió profilja (Gauss függvény)


Kétlépéses diffúzió: behajtásKétlépéses 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 SiO2 nő további

maszkolás céljából.

xj

SiO2 SiO2

Si

SiO2


Diffúzió minősítése


Kimutatható, hogy:

essége vezetővezátlagos réteg diffúziós σ

aellenállás fajl. átlagos réteg diffúziós ρ

ellenállás négyzetes Rσ

1ρ

Ω/I

V4.53

I

V

ln2

πR

s

s

A szelet

S SS

I V A

Négy tű

A diffúziós réteg minősítése: négytűs mérésA diffúziós réteg minősítése: négytűs mérés


Fajlagos ellenállás (Irvin görbe)

A diffundáltatott réteg p-típusú, valamint w = xj

Rs= 50 Ω/□ xj= 1,5 μm

jx

ρs

R w

ρs

R

319

0 cm

atom 105,2N

Ωcm 107,5ρ 3

4 tűs mérés → Rs


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.

Diffúziós mélység meghatározása



4D

ddx

21

22

j

D=44,5mm – csiszoló gömb átmérője

d1=belső kör átmérője

d2=külső kör átmérőjed1

d2


SRP: spreading resistance probe


2. gyakorlat

Documents