[논문]p형 Si(100) 기판 상에 안티몬 도핑된 n형 Si박막 구조를 갖는 pn 다이오드 제작 및 특성

김광호

[국내논문] p형 Si(100) 기판 상에 안티몬 도핑된 n형 Si박막 구조를 갖는 pn 다이오드 제작 및 특성
Fabrication and Properties of pn Diodes with Antimony-doped n-type Si Thin Film Structures on p-type Si (100) Substrates 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.2, 2017년, pp.39 - 43

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It was confirmed that the silicon thin films fabricated on the p-Si (100) substrates by using DIPAS (DiIsoPropylAminoSilane) and TDMA-Sb (Tris-DiMethylAminoAntimony) sources by RPCVD method were amorphous and n-type silicon. The fabricated amorphous n-type silicon films had electron carrier concentrations and electron mobilities ranged from $6.83{\times}10^{18}cm^{-3}$ to $1.27{\times}10^{19}cm^{-3}$ and from 62 to $89cm^2/V{\cdot}s$, respectively. The ideality factor of the pn junction diode fabricated on the p-Si (100) substrate was about 1.19 and the efficiency of the fabricated pn solar cell was 10.87%.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 원격 플라즈마 CVD (RPCVD; Remote Plasma Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 DIPAS 소스와 TDMA-Sb 소스를 사용하여 비정질의 n-형 실리콘 박막을 p-형 실리콘 위에 형성시키는 기술을 확인하고 이를 이용하여 실용 가능한 태양전지에 적용 가능성을 검토하려고 pn 접합 다이오드와 태양전지의 제작 및 평가를 진행하였다.

제안 방법

2에 보였다. 박막의 기본적 특성을 평가를 위하여 비저항이 0.5∼2.0 Ω·cm인 p-Si(100) 웨이퍼를 사용하였고, Si 웨이퍼는 유기 및 표준 RCA 세정 방식으로 세정하였다. n형 실리콘 박막을 형성하기 위해 DIPAS 소스와 TDMA-Sb 소스 및 질소 가스를 동시에 흘리고 350 mTorr.
약 300 nm 두께의 n형 비정질 실리콘 박막 형성은 RF전력은 75 W, 기판 온도는 500℃에서 행하였다. 알루미늄 전극을 열증착법으로 형성시켜 다이오드를 완성시켜 전기적 및 구조적 특성을 평가하였다. 태양전지는 TDMAS 소스를 써서 기판 온도 450℃에서 80 nm의 실리콘 질화막인 반사방지막을 PECVD법으로 증착[7]한 후에 핑거형태의 전면 전극은 은(Ag)페이스트를, 후면 전극은 알루미늄(Al) 페이스트를 쓰는 스크린 프린팅법으로 형성시켜 열처리를 거친 후에 태양전지를 완성시켜 특성을 평가하였다.
본 연구의 p-Si(100) 기판 위에 증착시킨 비정질 n형 실리콘을 이용한 디바이스로서의 태양전지 적용 가능성을 확인하기 위하여 적정 공정을 진행하여 태양전지를 완성 하였다. Fig.
알루미늄 전극을 열증착법으로 형성시켜 다이오드를 완성시켜 전기적 및 구조적 특성을 평가하였다. 태양전지는 TDMAS 소스를 써서 기판 온도 450℃에서 80 nm의 실리콘 질화막인 반사방지막을 PECVD법으로 증착[7]한 후에 핑거형태의 전면 전극은 은(Ag)페이스트를, 후면 전극은 알루미늄(Al) 페이스트를 쓰는 스크린 프린팅법으로 형성시켜 열처리를 거친 후에 태양전지를 완성시켜 특성을 평가하였다.

대상 데이터

이 시스템은 반응실과 격리된 플라즈마 발생 영역과 반응실인 CVD 영역으로 구성된 원격 플라즈마 CVD 장비로서 가스공급은 MFC에 의하여 조절된다. n형 비정질 실리콘 박막은 DIPAS 소스와 TDMA-Sb 소스를 사용하였다. 반응실에서의 베이스 진공도는 1×10^-6 Torr.

성능/효과

RPCVD 장비를 이용하여 p-Si(100) 기판 위에 아미노계인 DIPAS 소스와 TDMA-Sb 소스를 써서 형성시킨 실리콘 박막은 비정질이며 n형임을 확인하였다. 또한, 이 구조를 이용한 스크린 프린팅 법을 겸용하여 제작한 태양전지의 디바이스 동작을 확인하였다.

후속연구

Fig. 7의 태양전지전류-전압 특성을 보면 직렬 저항(R_s ≅ 1.2 Ω)은 비교적 높았고 병렬 저항(R_sh≅ 22.6 Ω)도 비교적 낮았기 때문에 발생하는 곡선의 기울기의 완만함으로 인해 제작한 셀의 효율은 예상보다 낮았으나, 앞으로 이러한 구조의 태양전지 특성은 스크린 프린팅 전극 공정 등의 셀 공정 최적화를 통해 개선되리라고 기대하고 있다.
27 × 10¹⁹ cm^-3 범위의 전자 캐리어 농도와 62 ~ 89 cm²/V·s 범위의 전자 이동도를 얻었다. 제작한 pn 접합 다이오드의 이상 인자는 1.19이었고, 제작한 태양전지의 효율은 10.87 %로 비교적 낮았으나 공정 온도 등의 공정 최적화를 통해 개선되리라고 기대하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정부의 2030년 신재생에너지에 관련한 목표는?	2016년 11월 파리협정 발효 이후, 전 지구적인 온실가스농도를 줄이기 위한 신 기후체제 시대가 본격적으로 진입된[1] 상황에서 에너지 패러다임은 격변하고 있으며, 전 세계 국가들은 새로운 기후체제하에서의 화석 에너지 대신에 재생 가능한 에너지로의 전환을 꾀하고 있는 바, 5월 10일 출범한 새 정부에서는 2030년 우리나라 전력량의 20%를 신재생 에너지로 확충하는 목표로 세우고 있고[2], 또한, 2030년에는 재생에너지인 태양광 발전이 석탄을 제치고 세계 최대의 전력원이 될 것이라고 전망하고 있다[3].특히, 비정질 실리콘의 pn 불순물 제어가 실현된 이후[4], 이를 이용한 태양전지 연구는 현재까지 계속되고 있으며, 실리콘을 비롯한 다양한 재료를 쓰는 태양전지는 효율이 높고 저가 실현을 위한 다양한 연구의 중요성은 더욱 더 증대되고 있다.
	대부분의 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지에서 n형 영역을 형성시키는 방법은?	p형 실리콘 기판을 이용하는 실리콘 pn접합 구조에 있어서 n형 영역을 형성시키는 방법은 다양하다. 일반적으로 가격을 저가화하기 위한 현재의 상용화된 대부분의 태양전지에 적용되는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지 에서는 열 확산법으로 n형 확산층을 형성키는 POCl 3 용액을 쓰고 있다. 이와 같은 방법과는 별도로 최근, 안전성 면에서 장점이 있는 DIPAS (DiIsoPropylAminoSilane) 소스 및 TDMA-Sb (Tris-DiMethylAminoAntimony) 소스를 사용하여 비정질의 n형 실리콘 박막을 형성시키는 연구가 보고[5, 6]되어 주목을 받고 있다.
	DIPAS 소스의 특징은?	이와 같은 방법과는 별도로 최근, 안전성 면에서 장점이 있는 DIPAS (DiIsoPropylAminoSilane) 소스 및 TDMA-Sb (Tris-DiMethylAminoAntimony) 소스를 사용하여 비정질의 n형 실리콘 박막을 형성시키는 연구가 보고[5, 6]되어 주목을 받고 있다. 이러한 보고에 의하면 아미노계인 DIPAS 소스는 구조적으로 실릴(silyl, -SiH 3 )그룹의 실리콘이 하나의 질소원자와 결합되어 있으므로 쉽게 해리가 일어나고 또한 증기압이 비교적 높으며 상온에서 자연발화, 인화, 폭발의 위험성도 적은 무색의 액체로 실리콘과 실리콘 화합물을 형성하는데 유리하게 작용하며[5], 도핑물질로서 역시 아미노계인 TDMA-Sb 소스는 PH 3 와 같은 맹독성 물질에 비해 비교적 안전하게 공정할 수 있는 장점[6]을 이용하고 있어서 안전성 면에서는 매우 유리하다.

참고문헌 (7)

http://www.wwfkorea.or.kr/news_resources_home1/news/?uNewsID229870
http://www.electimes.com/article.php?aid1489618121142726005
Seba, T., Clean Disruption of Energy and Transportation, Tony Seba, 2014.
Spear, W. E. and LeComber, P. G., "Substitutional Doping of Amorphous Silicon", Solid State Communication, 17(9), pp. 1193-1196, 1975.

상세보기
Kim, K. -H., "Fabrication and Properties of Si Films by using DIPAS Source", J. of Korean Inst. of Inform. Technol., 12(1), pp. 25-30, 2014.
Kim, K. -H. and Chen, Hong Bin, "Fabrication and Properties of Antimony-doped Si Thin Films", J. of Industrial Science Research of Cheongju Univ., 34(2), pp. 203-208, 2017.
Kim, K. -H., "Fabrication and Properties of PECVD Silicon Nitride Films using a Tris(dimethylamino)silane of Aminosilane Precursor", J. Korean Phys. Soc., 67(12), pp. 2115-2119, 2015.

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