一种镓和锗共掺的直拉硅单晶的制作方法

专利名称：：一种镓和锗共掺的直拉硅单晶的制作方法
技术领域：
：本发明属于半导体硅材料领域，尤其涉及太阳能电池用镓和锗共掺的直拉硅单晶。背景才支术太阳能是取之不尽的清洁能源，利用半导体材料的光电转换特性，制备成太阳能电池，可以将太阳能转变成电能。直拉硅单晶是生产太阳能电池的主要材料之一。传统太阳能技术中，掺硼直拉硅单晶被广泛地应用于太阳电池的制备。但是，由于掺硼直拉珪单晶中的替位硼原子和单晶硅中间隙态的氧原子在光照下或载流子注入下会形成硼氧复合体，而硼氧复合体是深能级复合中心，会降低少数载流子的寿命，从而降低少数载流子的扩散长度，导致光电转换效率衰减(该现象称为光致衰减)，太阳电池的效率降低。针对这一问题，掺镓直拉硅单晶目前被广泛用在太阳能电池制备上，有效避免了硼氧复合体的产生。直拉法生长掺镓单晶硅时，不可避免的引入点缺陷(自间隙硅原子、空穴)，这些点缺陷能与硅中其他杂质结合形成复合体促进缺陷的形成或自身聚集形成缺陷，从而成为少子的复合中心，减小,单晶硅片的少子寿命，这对于掺家太阳电池的光电转换效率的提高是非常不利的。此外，目前影响太阳能电池广泛使用的主要障碍之一是成本较高，而电池的主要成本又在于硅片。为了降低成本，现在采用的措施之一是减少硅片的厚度，使得每一片硅片的材料用量减少。但由于目前的,直拉硅单晶本身存在机械强度较低的缺点，如果降低硅片厚度，就会使硅片在加工、电池制备和电池组装成组件等过程中，容易损伤、破碎，硅片的破碎率增加，势必导致成本的增加。提高掺镓硅片的少子寿命并提高掺镓硅片的机械强度是目前降低太阳电池成本并提高太阳能电池效率迫切需要解决的问题。
发明内容本发明提供了一种镓和锗共掺的直拉硅单晶，含有浓度为lxl015-lxl0"/cm3的镓，还含有浓度为lxl016~5xl02G/cm3的锗。随着锗浓度的增加，镓和锗共掺的直拉硅单晶的少子寿命增加，对提高电池的光电转换效率有很重要的意义。优选的技术方案中，上述的镓和锗共掺的直拉硅单晶，含有浓度为5xlO"5xlO"/cm3的镓，还含有浓度为lx1018~2xl027cm3的锗。由于镓在硅中的分凝系数为0.008，远小于1,所以在直拉硅中掺镓在5xl015~5xl016/cm3的范围，可以提高整根单晶制备电池的利用率。而直拉硅中掺锗量在"1018/0113以上时，硅片段少子寿命有大幅度的提高，而且其机械强度也在这个临界值之上得到增强；当硅中掺锗量大于2xlO"/cmS时，晶体生长过程中容易形成锗的偏析，引起位错和多晶，很难保证单晶硅的生长，所以优选lxl018~2xl02()/cm3的掺锗浓度。本发明的镓和锗共掺的直拉硅单晶，是在现有的含镓电活性杂质的硅单晶中掺杂一定量的锗构成。它由下述方法制备而成，将多晶硅放入石英坩埚，同时按目标掺杂浓度计算的投料量掺入锗和镓，在真空、氩气或氮气保护下，融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅熔液中，按常规调整晶体生长参数，生长得本发明的直拉硅单晶。通常加热到硅熔点以上即可融熔多晶硅，本发明优选在1410。C融熔多晶硅。其中，目标掺杂浓度为本发明要制备得到的目标产物单晶硅中锗和镓的浓度。本发明中，镓的浓度为lxl015~lxl017/cm3,锗的浓度为lxl016~本发明的镓和锗共掺的直拉硅单晶少子寿命比单独掺镓的直拉硅单晶高l倍以上，而机械强度比单独榜嫁的直拉硅单晶高20%以上。本发明的镓和锗共掺的直拉硅单晶的有益效果在于1、硅单晶中同时掺杂了镓和锗，在利用镓作为电活性掺杂剂避免光衰减的基础上，通过单晶中的锗实现对点缺陷(自间隙硅原子、空穴)的作用来抑制硅单晶中原生孩(缺陷的形成，因而其少子寿命比单独4錄的硅单晶要高l倍以上。本发明硅单晶的少子寿命最高可达lOOjxs,这样高的少子寿命是单独趁嫁的^圭单晶不可能达到的。2、镓和锗共掺的硅单晶中，锗能够钉扎硅中位错，阻止位错滑移，从而提高硅单晶的机械强度，其机械强度比单独摻镓的硅单晶要高20%以上。本发明硅单晶的室温断裂机械强度最高可达300N/mmS以上，应用于太阳能电池中时，硅片可以切得较薄，降低了太阳能电池的制造成本。具体实施方式实施例1将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入0.078g的锗和0.3g的镓。在氩气保护下，在1410'C融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl015/cm3,锗浓度为lxl016/cm3。实施例2将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入0.78g的锗和3g的镓。在氩气保护下，在1410"C融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl016/cm3,锗浓度为lxl017/cm3。实施例3将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时摻入7.8g的锗和3g的镓。在氩气保护下，在1410。C融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl016/cm3,锗浓度为lxl018/cm3。实施例4将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入78g的锗和0.3g的镓。在氩气保护下，在1410。C融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl015/cm3，锗浓度为lxl019/cm3。实施例5将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入780g的锗和0.3g的镓。在氩气保护下，在141(TC融熔多晶珪，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl015/cm3,锗浓度为lxl02G/cm3。实施例6将50kg的多晶硅放入石英坩埚，同时掺入1.56kg的锗和30g的镓。在氩气保护下，在141(TC融熔多晶硅，使锗和镓同时熔入多晶硅溶液中，按常规调整晶体生长参数，以1.2mm/min生长速度生长直拉硅单晶。其中，镓浓度为lxl017/cm3,锗浓度为2xl02()/cm3。对比例1采用与实施例l相同的方法制得掺镓的直拉硅单晶，不同仅在于掺入的纯锗为0g。其中，镓浓度为lxl015/cm3。对比例2采用与实施例2相同的方法制得,的直拉硅单晶，不同仅在于掺入的纯锗为Og。其中，镓浓度为lxl016/cm3。分别在实施例1~6和对比例12得到的锗和镓共掺的直拉硅单晶的头部取样，测试室温断裂机械强度和少子寿命。室温断裂机械强度通过三点弯法测试得到，而少子寿命在表面氮化硅钝化后，通过^:波光电导衰减法测试得到。测试结果见表l。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、一种镓和锗共掺的直拉硅单晶，其特征在于，含有浓度为1×1015～1×1017/cm3的镓，并含有浓度为1×1016～5×1020/cm3的锗。2、如权利要求1所述的镓和锗共掺的直拉硅单晶，其特征在于，含有浓度为5xlO"5xlO"/cm3的镓，并含有浓度为lx1018~2xl020/cm3的锗。全文摘要本发明公开了一种镓和锗共掺的直拉硅单晶，含有浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm³的镓，还含有浓度为1×10¹⁶～5×10²⁰/cm³的锗。在利用镓作为电活性掺杂剂避免光衰减的基础上，通过锗抑制硅单晶中原生微缺陷的形成，获得少子寿命比单独掺镓的硅单晶要高1倍以上的硅单晶，少子寿命最高达100μs，可用于高效率太阳电池的制备。同时，其机械强度比单独掺镓的硅单晶要高20％以上，室温断裂机械强度最高可达300N/mm²，应用于太阳能电池中时，硅片可以切得较薄，降低了太阳能电池的制造成本。文档编号C30B15/02GK101597794SQ20091009999公开日2009年12月9日申请日期2009年6月24日优先权日2009年6月24日发明者余学功,杨德仁,阙端麟申请人:浙江大学