[論文レビュー] Fast C-V method to mitigate effects of deep levels in CIGS doping profiles

Pran K. Paul, Jeff Bailey+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、深レベルトラップによる干渉を受けても、CIGS太陽電池におけるドーピングプロファイルを正確に測定できる高速な容量-電圧（C-V）法を提示する。急速な電圧スイープを適用し、温度依存応答を分析することで、ヒステリシスおよびドーピングアーティファクトを低減し、信頼性の高い室温測定とトラップ濃度推定を可能にする。これは量産ラインでの品質管理に不可欠である。

ABSTRACT

In this work, methods to determine more accurate doping profiles in semiconductors is explored where trap-induced artifacts such as hysteresis and doping artifacts are observed. Specifically in CIGS, it is shown that this fast capacitance-voltage (C-V) approach presented here allows for accurate doping profile measurement even at room temperature, which is typically not possible due to the large ratio of trap concentration to doping. Using deep level transient spectroscopy (DLTS) measurement, the deep trap responsible for the abnormal C-V measurement above 200 K is identified. Importantly, this fast C-V can be used for fast evaluation on the production line to monitor the true doping concentration, and even estimate the trap concentration. Additionally, the influence of high conductance on the apparent doping profile at different temperature is investigated.

研究の動機と目的

• 深レベルトラップによる影響を受けるCIGS半導体における不正確なドーピングプロファイル測定の課題に対処すること。
• 200 K以上でヒステリシスおよびドーピングアーティファクトを示す従来のC-V技術の限界を克服すること。
• CIGS太陽電池の製造におけるリアルタイムプロセスモニタリングに適した、高速かつ室温でのC-V法を開発すること。
• DLTSを用いて、200 K以上でC-V曲線に異常を引き起こす特定の深レベルトラップを同定・特徴づけること。
• 1回の高速測定からドーピング濃度とトラップ密度の両方を推定可能にする仕組みを実現すること。

提案手法

• 遅いトラップの充電／放電ダイナミクスの影響を最小限に抑えるために、C-V測定に高速電圧スイーププロトコルを導入する。
• 温度依存C-V測定を用いて、容量に寄与するドーピング関連成分とトラップ関連成分を区別する。
• 200 K以上でC-V曲線にヒステリシスを引き起こす特定の深レベルトラップを特定するため、深レベル一時スペクトロスコピー（DLTS）を適用する。
• さまざまな温度における高伝導度が顕在的ドーピングプロファイルに与える影響を分析し、真のドーピング効果を分離する。
• 高速C-V応答とDLTSで得られたトラップエネルギー準位および捕獲断面積を照合することで、本手法の妥当性を検証する。
• C-V応答の温度依存性を活用して、トラップに起因するアーティファクトを補正し、正確なドーピングプロファイルを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CIGSにおける深レベルトラップは、室温での従来のC-V測定にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高トラップ／ドーピング比が存在する状況下でも、高速C-V法がヒステリシスを低減し、ドーピングプロファイル抽出の正確性を向上させられるか？
• RQ3 200 K以上で異常なC-V挙動を引き起こす深レベルトラップの性質およびエネルギー準位は何か？
• RQ4 高速C-V法は、ドーピング濃度とトラップ密度の両方を同時に推定できる程度はどの程度か？
• RQ5 さまざまな温度における高伝導度は、顕在的ドーピングプロファイルにどのように歪みを引き起こし、その歪みは補正可能か？

主な発見

• 高速C-V法は、室温におけるCIGSでヒステリシスおよびドーピングアーティファクトを効果的に低減し、正確なドーピングプロファイル測定を可能にした。
• DLTS分析により、価電子帯からのエネルギー準位が約0.5 eV高い深レベルトラップが特定され、200 K以上でC-V異常を引き起こしていることが判明した。
• 本手法により、トラップ濃度がドーピング濃度よりも顕著に高い状況下でも、信頼性のあるドーピングプロファイル抽出が可能となった。
• 温度依存測定から、高温での高伝導度が顕在的ドーピングプロファイルを歪めることが明らかになったが、高速C-V法はこの効果を補正できた。
• 本手法により、1回の測定からドーピング濃度に加えてトラップ濃度の推定が可能となり、プロセス制御における応用価値が向上した。
• 本手法は、高速性と室温動作の両立により、量産ライン統合に適していることが示された。