PROPRIETES ELECTRONIQUES DES JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM POLYCRISTALLIN

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PROPRIETES ELECTRONIQUES DES JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM POLYCRISTALLIN

J. Oualid, H. Amzil, J. Crest, J. Dugas, G. Mathian, M. Zehaf, S. Martinuzzi

To cite this version:

J. Oualid, H. Amzil, J. Crest, J. Dugas, G. Mathian, et al.. PROPRIETES ELECTRONIQUES DES

JOINTS DE GRAINS DANS LE SILICIUM POLYCRISTALLIN. Journal de Physique Colloques,

1982, 43 (C1), pp.C1-313-C1-318. �10.1051/jphyscol:1982142�. �jpa-00221799�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque Cl, supplément au n°10, Tome 43, octobre 1982 page C l - 3 1 3

PROPRIETES ELECTRONIQUES DES JOINTS DE GRAINS DANS LE S I L I C I U M POLYCRISTALLIN

J. Oualid*, H. Amzil, J.P. Crest, J. Dugas, G. Mathian, M. Zehaf et S. Martinuzzi

Laboratoire de Photoélectrioitê, Faculté des Sciences et Techniques de Saint-Jérôme, 13397 Marseille Cedex 13, France

*Laboratoire des Matériaux et Composants à Semi-conducteurs, Ecole Nationale Supérieure de Physique de Marseille, Centre Universitaire de Saint-Jérôme, 13397 Marseille Cedex 13, France

Résumé. - L ' a c t i v i t é électronique des j o i n t s de grains dans le s i l i c i u m p o l y c r i s t a l l i n Wacker-SILSO de type R a été caractérisée par une méthode L.B.I.C. à longueur d'onde variable. La vitesse de recombinaison i n t e r f a - ciale des j o i n t s de grains est comprise entre 10^ cm/s et 6.10^ cm/s, l a densité d'états d'interface entre 3 . 1 0 ^ cnr*2 et 4.10H cm"2 en supposant que ces états présentent un seul niveau d'énergie situé au milieu de la bande i n t e r d i t e . Les défauts intragrains sont partiellement saturés sous êclairement AMI alors que les j o i n t s de grains ont une a c t i v i t é recombinante qui dépend peu du niveau d ' e x c i t a t i o n .

A b s t r a c t . - The e l e c t r o n i c a c t i v i t y o f g r a i n boundaries i n P type Wacker- SILSO p o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n was c h a r a c t e r i z e d by L . B . I . C . a t v a r i a b l e wavelength. The i n t e r f a c i a l recombination v e l o c i t y o f g r a i n boundaries are between 104 cm/s and 6 . 1 04 cm/s, the d e n s i t y o f i n t e r f a c e s t a t e s between 3.1011 cm-2 and 4 . 1 0 H c m- 2 by assuming t h a t these btates present a s i n g l e energy l e v e l near the middle o f the band gap. The i n t r a g r a i n defects are p a r t i a l l y saturated under AMI while the g r a i n boundaries present a recora- b i n i n g a c t i v i t y which weakly depends on the e x c i t a t i o n l e v e l .

1 . I n t r o d u c t i o n . - Les j o i n t s de grains se comportent comme des regions de recombi- naison HI t r e s nefastes pour les p h o t o p i l e s ou pour l e s composants e l e c t r o n i q u e s r e a l i s e s sur s i l i c i u m p o l y c r i s t a l l i n -

La methode de balayage p h o t o e l e c t r i q u e a longueur d'onde v a r i a b l e ( L . B . I . C . ou scan- ning p h o t o e l e c t r i q u e ) permet d ' e v a l u e r l a longueur de d i f f u s i o n l o c a l e des porteurs m i n o r i t a i r e s q u i depend des defauts i n t r a g r a i n s e t l a Vitesse de recombinaison i n t e r - f a c i a l e qui c a r a c t e r i s e V a c t i v i t e e l e c t r o n i q u e des j o i n t s de grains / 2 / .

I I a ete deja montre / 3 / que s u i v a n t l e niveau d ' e c l a i r e m e n t , l e s centres de recombinaison volumiques sont p a r t i e l l e m e n t satures dans l e s i l i c i u m m o n o c r i s t a l l i n . I I nous a semble important de v e r i f i e r ce phenomene dans l e s i l i c i u m p o l y c r i s t a l l i n e t s u r - t o u t de d i s t i n g u e r s i l a d i m i n u t i o n de V a c t i v i t e recombinante par l e niveau d ' e x c i - t a t i o n lumineux ( p o l a r i s a t i o n optique) s ' e f f e c t u e p r i n c i p a l e m e n t dans les g r a i n s ou dans l e s j o i n t s de g r a i n s .

La c a r a c t e r i s a t i o n a p o r t e sur des p h o t o p i l e s r e a l i s e e s par Fhotowatt I n t e r n a t i o n a l S.A. sur s i l i c i u m p o l y c r i s t a l l i n Wacker-Silso de type P(p - 2ft.cm).

2. Images p h o t o e l e c t r i q u e s . - a/ Excitation_faib1e.

Les figures la et lb reproduisent les images photoelectriques a X = 0,98 um de 2 diodes typiques revelees respectivement au centre et a la peripheric d'une meme photopile.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982142

(3)

JOURNAL DE PHYSIQUE

Fious avons pa noter que

:

- l e s photocourants dans l e s grains s i t u e s au centre des photopiles sont plus importants que dans ceux de l a pGriph6rie comnle l e montrent l e s figures l a e t lb.

Fig.1. Images photo6lectriques de deux diodes. a ) au c e n t r e , b) a l a peripherie.

Photoelectric images of two diodes

a )

a t the center,

b )

a t the periphery.

- l e s grains de l a peripherie pr6sentent des rfponses beaucoup plus accident tees que ceux du centre. Apres revflztion par l a solution de SIRTL l e s accidents pho- toelectriques intragranulaires correspondent gfnfralement a des grappes de disloca- tions ou a des sous j o i n t s plus nonbreux ti l a periphfrie qu'au centre.

- l e s naclcs presentent une a c t i v i t f recombinantc negligeable comme cela a dej& et@ cbservk par R.W.

ARt.lSTRONG

e t a l . /

9 / .

- leb j o i n t s de grains du centre e t tie l a p6riphGrie presentent des v i t e s - ses de recombinaison comparables (104 cm/s < s < 105 cm/s)

/4/.

Ces d i f f e r e n t e s observations expliquent pourquoi l a longueur de diffusion globale L n , l e courant de court c i r c u i t Isc e t l a tension de c i r c u i t ouvert Voc (sous Ai11) des diodes Elesa sont plus importants au centre qu'a l a periphfrie. Les grains l a peri- pherie sont en general plus grands qu'au centre, nais i l s presentent une densite de dislocations plus 6levees,liee comme nous 1 'avons v f r i f i e , par absorption infra-rouge

ii

15,6 um,

1

l a segregation d'atonies de carbone provenant du creuset.

b/

~nfluence-du-nlyeau-d1excj",a_I;_i_o_n.

La "polarisation optique" des photopiles conduit

1 des r e s u l t a t s remarquables comme

l e montre l a figure 2 r e l a t i v e

1

une diode llesa r6velee

3

l a pfripherie d'une photopile.

En liaison avecla densit6 de defauts intragrains plus importante dans l e grain de droite que dans celui de gauche ( f i g u r e 2 b ) , l a rGponse photoelectrique a 0,98 pm e s t plus f a i b l e dansle grain droi t ( f i g . 2 ~ ) .

La reponse photo6lectrique des grains,

1

f a i b l e excitation, e s t t r e s tourmentee ( f i g .

2c) en relationavec l a d i s t r i b u t i o n non homogene des defauts intragrains. Par contre,

sous une "polarisation optique" correspondallt

2

AI'i1/3, l e s deux grains presentent une

rfponse photo6lectrique pratiquement identique e t constante ( f i g . 2 d ) . Les defauts

intragrains sont donc partiellement satures par l e s paires electron-trou creees par

l ' e x c i t a t i o n lumineuse supplementaire. Cette "passivation" s e manifeste par une aug-

mentation sup6rieure

1

2 de l a reponse photo@lectrique des grains, @gale

2

l'augmen-

t a t i o n de l a longueur de diffusion mesuree

1

l ' a i d e de l a reponse spectrale cornrne l e

montre l a figure 3.

(4)

Fig.2. Diode 9P. a ) Photo, b ) AprPs r e v e l a t i o n p a r l a s o l u t i o n SIRTL, c ) e t d ) Inages photo6lectriques

a

^A ⁼0,98

urn

~3 E = 0 e t E = P,!'i1/3.

Diode 9P. a ) Photo, b) A f t e r e t c h i n g , c ) and d ) P h o t o e l e c t r i c images a t X = 0 . 5 8 pm a t E = 0 and E = AM1/3.

188 200 300 400 500

TENSION DE C I R C U I T OUVERT (MV)

Fig.3. Variation de l a longueur de Fig.4. Ligne photoelectrique

a

^X=0,98prn

ciiffusion avec 1 ' 6 c l a i rement. P h o t o e l e c t r i c l i n e a t A = 0.98 pn.

Variation of t h e d i f f u s i o n length 1 ) 0 , 2 ) AM1/50, 3 ) AM1/27, 4 ) AM1/13, with l i g h t b i a s . 5 ) P,E11/8, 6 ) M11/4, 7 ) A f l l .

Les f l e c h e s r e p s r e n t l e s j o i n t s de g r a i n s

The

arrows i n d i c a t e t h e g r a i n bondaries

(5)

C1-316 JOURNAL DE PHYSIQUE

La longueur de d i f f u s i o n dans l e s g r a i n s augmente de f a ~ o n sensiblement l i n e a i r e avec l a d i f f e r e n c e d ' e n e r g i e e n t r e l e s quasi niveaux de Fermi, supposee i d e n t i q u e I l a tension de c i r c u i t o u v e r t des diodes Plesa etudiees. Au d e l 2 d'une c e r t a i n e e x c i t a t i o n 6gale oti superieure I A K l , l a longueur de d i f f u s i o n augmente de facon p l u s importante.

Le niveau d ' e x c i t a t i o n a g i t r e l a t i v e m e n t peu s u r l ' a t t e n u a t i o n du photocourant au j o i n t de g r a i n s j u s q u ' a des 6clairements correspondants I 2Aiil comme l e montre l a f i g u r e 4 q u i represente l n e l i g n e p h o t o e l e c t r i q u e (1 = 0,98 pm) d'une a u t r e diode s i t u e e I l a p e r i p h e r i e . Cette l i g n e tracee I d i f f 6 r e n t s eclairements permet de c o n f i r - mer t o u t e s l e s observations pt+c@dentes.

A i n s i

,

il a p p a r a i t que, pour un eclairement v o i s i n de 1 'eclairement s o l a i r e , l e s defauts i n t r a g r a i n s sont suffisamment "passives" pour que l a reponse photoelectr'ique s o i t homogene dans tous l e s g r a i n s e t pratiquement i d e n t i q u e q u e l l e que s o i t l ' o r i e n - t a t i o n des grains. I 1 f a u t s o u l i g n e r que l e s defauts i n t r a g r a i n s ne sont pas e n t i @ - rement satures sous AKl ce q u i e x p l i q u e que l e s propriGt6s photovoltaFques mesurees sous AM1 diminuent avec l a d e n s i t e de d i s l o c a t i o n s comme nous l ' a v o n s montre r6cem- ment

3. P r o f i l s p h o t o 6 l e c t r i q u e s des j o i n t s de g r a i n s e t v i t e s s e de recombinaison i n t e r - f a c i a l e .

Les f i g u r e s 5a e t 5b permettent de comparer l ' i n f l u e n c e du niveau d ' e c l a i r e m e n t s u r l e p r o f i l p h o t o 6 l e c t r i q u e normalise d'un j o i n t de g r a i n s

a

d i f f c r e n t e s longueurs d'onde. La l a r g e u r du p r o f i l a p p a r a i t beaucoup t r o p l a r g e comparee I l a longueur de d i f f u s i o n dont l e s mesures sont reperees par des @ t o i l e s .

Ln max = 91,2 Vrn

L" = 37.3 prn

0 . I - 2 .3 . 4 .5

DEPLACEMENT (mm)

a ) E - 0

0 .1 .2 . 3 .4 . 5

OEPLACEMENT (mm)

b l E = A M 1 1 3

Fig.5. P r o f i 1 p h o t o e l e c t r i q u e d ' u n j o i n t de g r a i n s 6 d i f f e r e n t e s longueurs d'onde

.

Les e t o i l e s donnent l e s longueurs de d i f f u ~ i o n normalis6es.

g. b. p h o t o e l e c t r i c p r o f i l e a t d i f f e r e n t wavelengths. The s t a r s g i v e the normalized d i f f u s i o n lengths.

Cette observation peut s ' e x p l i q u e r en remarquant que :

-

l e j o i n t de g r a i n s n ' e s t pas perpendicul a i r e 1 a surface,

-

l a d e n s i t e de defauts i n t r a q r a i n s semble moins grande pres du j o i n t ( f i g . 2 b ) ,

-

l a d i f f u s i o n i n t e r g r a n u l a i r e du phosphore e s t importante dans l e s j o i n t s de g r a i n s de l a p e r i p h e r i e des p h o t o p i l e s ce que confirment l e s v a l e u r s moyennes du p o t e n t i e l de d i f f u s i o n e t des experiences recentes de d i f f u s i o n c a r a c t e r i s e e s p a r r a d i o t r a c e u r s

/ l o / .

Cette d i f f u s i o n p o u r r a i t c o n t r i b u e r , I cause de I ' e f f e t

" g e t t e r i n g " bien connv du phosphore /11/, I une augmentation de l a longueur de d i f f u -

(6)

s i o n au voisinage du j o i n t de g r a i n s a i n s i q u ' i une compensation du matPriau. L ' e l a r - gissement du p r o f i l p h o t o 6 l e c t r i q u e ne permet pas de determiner l a v i t e s s e de recon- b i n a i s o n i n t e r f a c i a l e p a r l a methode proposee p a r

J.D.

ZOOK /6/ basee sur l a v a r i a t i o n de l a l a r g e u r e f f e c t i v e du j o i n t de g r a i n s avec l a longueur d'onde. Dans ce cas, il e s t p r G f @ r a b l e de f a i r e appel l a methode q u i consiste,simplement,~ mesurer l e pho- tocourant normalise B grande longueur d'onde ( p a r exemple

X

= 0,98 ym) dans l e j o i n t de g r a i n s e t

a

u t i l i s e r l'abaque donnee

a

l a f i g u r e 6.

VITESSE O E RECOMBINAISON (crn/=)

Fig.6. Photocourant normal i s & au j o i n t de

g r a i n en f o n c t i o n de l a v i t e s s e de recom- 0 . I . 2 .3 . 4 . S . 6 .7

b i n a i s o n i n t e r f a c i a l e pour diverses lon- E Q ~ - E C ~ (.v)

gueurs de d i f f u s i o n i n t r a g r a n u l a i r e . g. b. normalized photocurrent versus i n t e r -

f a c i a l recombination v e l o c i t y f o r d i f f e - Fig.7. V a r i a t i o n de l a v i t e s s e de r e n t i n t r a g r a n u l a r d i f f u s i o n lengths. recombinai son i n t e r f a c i a l e avec

1 'eclairement.

I n t e r f a c i a l recombination v e l o c i t y v a r i a t i o n w i t h l i g h t b i a s .

m a t t h e periphery, a t t h e center.

Pour chaque niveau dl@clairement, l a v i t e s s e de recombinaison i n t e r f a c i a l e s a etP determinee en mesurant l e s photocourants ( A = 0,98 yni) dans l e j o i n t de g r a i n s e t i3

+

200 pm du j o i n t de g r a i n s a i n s i que les longueurs de d i f f u s i o n correspondantes. Les v a r i a t i o n s typiques de s en f o n c t i o n de 1'Eclairement repet-6 p a r l a t e n s i o n de c i r c u i t o u v e r t Voc des diodes @tuCi@es sont r e p r o d u i t e s f i g u r e 7 e t compar@es aux v a r i a t i o n s calculees /12/ ?i p a r t i r de l a t h e o r i e des hauteurs de b a r r i e r e s hors d ' e q u i l i b r e d'un j o i n t de g r a i n s & t a b l i e recemment p a r C.H. SIRGAL /13/. Les courbes en t r a i t p l e i n o n t

e t @

tracees en admettant que l e s & t a t s d ' i n t e r f a c e l o c a l i s & s aux j o i n t s de g r a i n s presentent un seul niveau d i s c r e t d ' e n e r g i e E t s i t u 6 au m i l i e u de l a bande i n t e r d i t e . Les sections e f f i c a c e s de capture par l e s @ t a t s d ' i n t e r f a c e des E l e c t r o n s e t des t r o u s o n t P t @ su os&es a r b i t r a i r e m e n t @gales

ti

10-15 cm2. La d e n s i t e de dopage a @ t & p r i s e

@gale B l O Q g cm-3,densite v o i s i n e de c e l l e s mesurees experisentalement. Avec ces hypothGses, nous pouvons a t t r i b u e r a u j o i n t de g r a i n s de l a diode 9c s i t u @ e vers l e c e n t r e de l a p h o t o p i l e , une d e n s i t 6 d l P t a t s d ' i n t e r f a c e v o i s i n e de 3.1011 cm-2. S i l e s niveaux des @ t a t s d ' i n t e r f a c e sont s i t u e s p l u s p r s s de l a bande de valence e t sont r e p a r t i s dansune bande (cas des niveaux correspondants aux l i a i s o n s pendantes

E t

-

Ev = 0,33

+

0,13 eV /14/) l a d e n s i t @ des & t a t s d ' i n t e r f a c e q u i se d e d u i r a i t de l a mesure de l a v i t e s s e de recombinaison i n t e r f a c i a l e s e r a i t p l u s importante e t p l u s compatible avec l e f a i t que l e j o i n t de g r a i n s e t u d i e e s t un j o i n t de f o r t e desorien- t a t i o n . S i de plus, l a s e c t i o n e f f i c a c e de capture des p o r t e u r s e s t p l u s f a i b l e que

(7)

C1-318 JOURNAL DE PHYSIQUE

10-15 cm2 l a densite d ' e t a t s d ' i n t e r f a c e deduite de l a v a r i a t i ~ n de l a vitesse de recombinaison i n t e r f a c i a l e s e r a i t plus grande que c e l l e indiquee. L'etude des diagram- mes de LAUE a montre q t i ' i l s ' a g i t d'un j o i n t de f o r t e ddsorientation caracterisee par une rotation de 40" par rapport ii

un

axe perpendiculaire e t une rotation de 21" par rapport ii

u n

axe p a r a l l e l e

a

l a plaquette. La vitesse de recombinaison i n t e r f a c i a l e de ce j o i n t e t par consequent l a hauteur de barriere ne varient pas avec l e niveau d ' e x c i t a t i o n jusqu'ii un eclairement correspondant 2 s o l e i l s comme 1e prevoit l a theorie. Par contre, l e grain de l a diode 9P s i t u e e 8 l a peripherie presente

un

comportement d i f f e r e n t de celui

prevu

theoriquement. L ' i n t e r p r e t a t i o n de l a ditference de comporte~ent d o i t f a i r e appel

a un

modele de d i s t r i b u t i o n des @ t a t s d l i n t e r f a c e , des impuretes dopantes e t des defauts intragrains plus complexe que celui adopts pour t r a - cer l e s courbes de l a figure 7. La diffusion intergranulaire du phosphore d o i t compli- quer considerablement l'analyse de ce comportement e t d o i t aussi conduire ii une sous evaluation de l a densite d ' e t a t s d ' i n t e r f a c e des j o i n t s de grains dans une photopile

a

jonction WP. I1 f a u t remarquer quela densite d ' e t a t s d ' i n t e r f a c e de ce j o i n t e s t plus grande que c e l l e du precedent d u f a i t q u ' i l presente une desorientation plus grande.

E n

e f f e t , i l e s t c a r a c t e r i s e p2r une rotation de 105" autour d'un axe perpendiculaire e t d'une rotation de 24" par rapport ii

un

axe p a r a l l e l e ii l a plaquette.

4. Conclusion.

-

Le relev6 des images photo@lectriques 2 grande lcngueur d'onde permet d'obtenir des renseignements importants concernant l e s defauts intragrains e t l e s j o i n t s de grains dans l e silicium p o l y c r i s t a l l i n . Le niveau d'eclairement "passive"

partiel lement l e s defauts intragrains, l a longueur de diffusion des porteurs minori- t a i r e s sous eclairement A111 e s t plus que doublee par rapport ii c e l l e sous excitation f a i ble. Par contre, l a vi tesse de recombinaison i n t e r f a c i a l e varie peu pour certains j o i n t s de grains jusqu'ii des eclairements correspondants

a

2 s o l e i l s . La v i t e s s e de recombinaison i n t e r f a c i a l e des j o i n t s de grains dans l e silicium p o l y c r i s t a l l ' n L!acker-

4

S i l s o de type

P

de r e s i s t i v i t e p = 2 Q.cm e s t comprise entre

lo4

cm/s e t 6.10 cm/s ce qui conduit

a

a t t r i b u e r aux densites d ' e t a t d ' i n t e r f a c e une valeur comprise entre 3,1011 cm-2 e t 4 . 1 0 ~ ~ cm-2 en admettant que l e dopage par l e bore e s t uniforme, voisin de 1015 cm-3, que l e s & t a t s d l i n t e r f a c e presentent

un

seul niveau d i s c r e t s i t u e au milieu de l a bande i n t e r d i t e e t que l a section efficace de capture des porteurs e s t egale ii 10-15 cm2,

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