Defect related radiative recombination in mono-like crystalline silicon wafers

Abstract

The aim of this work was to investigate defect related luminescence emission in four mono-like silicon wafers. The seed-assisted silicon ingot is built by six Czochralski silicon slabs, with nine seed junctions. The discovered emission signals are due to Shockley-Read-Hall recombination. Each wafer originates from a mono-like silicon ingot grown at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim. The master thesis work was conducted at the Norwegian University of Life Sciences (NMBU), Ås. Hyperspectral imaging has been used in multiple branches like medicine, industry and military purposes. In this investigation hyperspectral imaging is conducted on mono-like silicon wafers. Seed-assisted grown mono-like silicon are produced with the goal of increasing wafer efficiency at lesser cost. Spectrally resolved photoluminescence (SPL) has been used together with multivariate data analysis. This is a non-destructive method to examine defect related luminescence in each mono-like wafers. Each wafer was cooled to 88 ± 2 K before illuminated with an 810 nm laser. The photoluminescence emission from each wafer was captured by an HgCdTe hyperspectral camera. The individual D1-D4 and band to band PL emission signals were extracted with Multivariate Curve Resolution (MCR) algorithm and found in the seed junctions. It has also been found three other PL emission signals, either in the seed junctions, or from parasitic crystals penetrating into the main wafer ingot. The D07 PL emission signal is restricted to the parasitic crystals and can be related to interstitial iron Fei. A signal at 0.846 ± 0.01 eV, known as D5, has been found as a shoulder of D1 and D2 PL emission signals. These three PL signals have been related to dislocations with oxygen impurities in other studies. A new signal denoted D09 with the energy 0.904 ± 0.01 eV is discovered and is growing in intensity with increased height of the ingot. The signal seems to be centered in the seed junctions and has not been mentioned before. The D1 PL signal is strong in the A-108 wafer, then decreasing in strength with increasing height. This seems to strengthen the theory of the D1 PL emission signal related to oxygen. The D2 PL signal on the other hand increases in intensity with increased ingot height, and contradicts the oxygen theory. D3/D4 PL emission signals are found in the seed junctions and can be related to the same spatial position. The PL emission signals increases with ingot height and strengthen the suggestion that D3/D4 PL signals originates from iron-boron (FeB) complexes. The high intensity PL emission signal known as VID3 has not been found in this work. A tail on the D1 PL signal found at 0.95 eV and 1.00 eV have been discussed in other studies and can be explained by hydrogen-silicon (H-Si) bond. One parasitic crystal has been found with multiple impurities. That crystal may have another grain boundary and dislocation number than the parasitic crystals with only the D07 PL signal. Comparing this work with the work done by Ekstrøm et al. [1] has discovered some similarities. It mentions different tilt and misorientation angles in each seed junction. The investigation concluded that misorientation angles in the seed crystal junctions produced tilt around one or several axis, and would play a major part in the bulk lifetime. Comparing to the current work has found that low misorientation angle around the X-axis seems to produce none or weak defect related PL emission signals. Misorientation around Z-axis seems to produce more defect related luminescence. While misorientation around multiple axis seems to create chaotic junctions with high defect related luminescence. The explanation can be the number of vacancies ready for impurities are higher in multiple axis tilts than one single axis tilt.

The conclusion is that the combined strength of SPL and MCR as a method to investigate mono-like silicon wafers has been used with success. The known D1-D4, D5 and D07 PL emission signals was found alongside a new PL emission signal at 0.904 ± 0.01 eV. The PL emission signals are not clearer than the emission signals found in mc-Si wafers, however, the D07 signal has been found separated from the rest of the other DRL signals and this can be a helpful in further experiments. The different PL emission signals are found to vary greatly throughout the ingot and logic answers can be made to explain the results based on known literature. Hyperspectral imaging and Multivariate curve resolution can strengthen and contribute to an increased quality of seed assisted mono-like wafers.

I denne masteroppgaven har fire "as cut" skiver fra en mono-lik silisiumkrystall blitt undersøkt. Frø assistert mono-lik silisium ingot er en produksjonsmetode for å skape høyeffektivitetsskiver med den rimlige multikrystallinske størkningsprosessen. Prosessen er under utvikling, med mål om å kunne forbedre solcellene i et sluttprodukt. Denne masteroppgaven går ut på å avdekke defekter i disse skivene både i romlig og spektral posisjon. For å kunne finne defekter i silisiumskivene registreres fotonutslippet til eksiterte elektroner som rekombinerer etter Shockley-Read-Hall metoden. I dette eksperimentet skjer dette ved å la en 810 nm laser belyse hver av de nedkjølte skivene. Skivene er nedkjølt til 88 ± 2 K med flytende nitrogen. Fotonene fra de eksiterte elektronene registreres og fordeles til sine spektrale områder i et HgCdTe hyperspektralt kamera. For å kunne hente ut de interessante defektrelaterte spektrumene brukes Matlab og et statistisk verktøy som heter Multivariate curve resolution (MCR). I denne oppgaven har alle de fire kjente emisjonslinjene D1, D2, D3 og D4 blitt funnet sammen med bånd til bånd emisjonslinjen. Disse defektrelaterte emisjonslinjene er bare funnet i frø krystallgrensene, foruten ett sted: En parasittisk krystall nær en av sidekantene. I tillegg er det funnet tre andre emisjonslinjer. Den ene er kalt D5 som ser ut til å være en skulder av det sterkere D2 emisjonlinjen med energien 0.846 ± 0.01 eV. Det andre signalet er kalt D09 med 0.904 ± 0.01 eV og er funnet sentrert i krystallgrensene. Dette signalet ser ut til å utvikle seg fra D2 signalet i A-108 skiven og videre fram til et eget signal i A-45 skiven. Det tredje signalet er et signal nylig publisert som D07 og er bare funnet i parasittiske krystaller som virker å gro inn fra digelkantene. Denne emisjonslinjen kan stamme fra interstitielt jern Fei. D1 emisjonslinjen har høyest intensitet i nær bunn av ingoten og minsker gradvis i styrke med økende ingot høyde. D2 emisjonslinjen derimot ser ut til å styrke seg mot toppen av ingoten og er sterkest i A-45 skiven. Både D1, D2 og D5 er betegnet i litteraturen som å kunne relateres til oksygen. Ut i fra oppførselen til D2 emisjonslinjen, motsier resultatet oksygen teorien, mens D1 og D5 ser ut til å forsterke den samme teorien. D3/D4 emisjonslinjene er funnet i bare ett av frøkrystallgrensene i A-108 skiven. Derimot, i de resterende tre skivene er signalet tilstede i alle frø grensene. MCR algoritmen betrakter dette signalet som ett signal og styrker ideen om at D3/D4 har samme romlig opprinnelse. D4 emisjonslinjen er nevnt å oppstå fra jern utfellinger fra smeltediglen og ovnen, hvor D3 emisjonslinjen kan være en fononreplica av D4. I denne undersøkelsen øker D3/D4 emisjonslinjene i intensitet med økt ingot høyde. Metallutfellingsteorien ser ut til å holde og kan forklares med feller i båndgapet fra jern-bor (FeB) komplekser. Et signal som er diskutert i litteraturen er en emisjonslinje kalt VID3. Dette signalet er ikke funnet noen steder i noen av skivene undersøkt. I D1 emisjonslinjen er det funnet en hale som har to toppunkt i området 0.95 eV og 1.00 eV. Disse toppunktene er sett i andre studier av tynnfilm silisium og kan forklares med hydrogen-silisium feller i båndgapet. I en undersøkelse gjort av Ekstrøm et al. [1] på samme ingot ble det konkludert med at misorienteringsvinkler rundt en eller flere akser hadde stor innvirkning på antall dislokasjoner og levetid over frøkrystallgrensene. I denne undersøkelsen har den konklusjonen blitt undersøkt for å se om mulig korrelasjon kan bekreftes. Når det gjelder emisjonslinjene over frøkrystallgrenser er det funnet klar korrelasjon med misorienteringsvinkel om en eller flere akser. Der det er liten misorientering rundt X-aksen er det ingen eller lite defektrelaterte emisjonslinjer. Ved misorientering om Z-aksen er det mer defektrelaterte emisjonslinjer. Ved misorientering i flere akser er det funnet kaotiske frøkrystallgrenser med sterke defektrelaterte emisjonslinjer, selv om vinklene er små. En forklaring på dette er at det er flere ledige områder for urenheter å feste seg i ved misorientering i flere dimensjoner. Det konkluderes med at et samarbeid med SPL og MCR som en metode for å forbedre mono-lik silisium skiver har blitt brukt med suksess. De kjente D1-D4, D5 og D07 emisjonslinjene er funnet sammen med en ny emisjonslinje ved 0.904 ± 0.01 eV. Emisjonslinjene oppfattes ikke klarere enn emisjonslinjer i mc-Si, men D07 emisjonslinjen er funnet separert fra de andre emisjonslinjene. Dette kan være til god hjelp i framtidig forskning. Emisjonslinjene er funnet å variere mye mellom høyden til ingoten og logiske slutninger kan trekkes for å forklare hendelsene basert på kjent litteratur. Hyperspektral bildebehandling sammen med MCR kan styrke og bidra til en økt kvalitet på frø assistert mono-lik silisium skiver.