[논문 리뷰] Fast C-V method to mitigate effects of deep levels in CIGS doping profiles

Pran K. Paul, Jeff Bailey외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 29.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 깊은 수준의 함정으로 인한 간섭에도 불구하고 CIGS 태양전지의 도핑 프로파일을 정확하게 측정할 수 있는 빠른 용량-전압(C-V) 방법을 제시한다. 빠른 전압 스윕을 적용하고 온도에 따라 변화하는 반응을 분석함으로써, 히스테리시스와 도핑 오차를 완화하여 실온에서 신뢰할 수 있는 측정과 함정 농도 추정이 가능하게 한다—이는 생산 라인의 품질 관리에 매우 중요하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 깊은 수준의 함정으로 인해 정확하지 못한 CIGS 반도체의 도핑 프로파일 측정 문제를 해결한다.
• 200 K 이상에서 히스테리시스와 도핑 오차로 인해 제한되는 전통적인 C-V 기법의 한계를 극복한다.
• 실시간 공정 모니터링을 위한 CIGS 태양전지 제조 공정에 적합한 빠르고 실온에서 작동하는 C-V 방법을 개발한다.
• DLTS를 사용하여 200 K 이상에서 C-V 곡선의 히스테리시스를 유발하는 특정 깊은 함정을 규명하고 특성화한다.
• 단일 빠른 측정을 통해 도핑 농도와 함정 농도를 동시에 추정할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 느린 함정 충전/방전 동역학의 영향을 최소화하기 위해 C-V 측정에 빠른 전압 스윕 프로토콜을 구현한다.
• 온도에 따라 변화하는 C-V 측정을 통해 용량에 기여하는 도핑 관련 요소와 함정 관련 요소를 구분한다.
• 200 K 이상에서 C-V 곡선의 히스테리시스를 유발하는 특정 깊은 함정을 규명하기 위해 고도의 잠재적 전이 스펙트로스코피(DLTS)를 적용한다.
• 다양한 온도에서 높은 도전성의 영향을 분석하여 진정한 도핑 효과를 분리한다.
• 빠른 C-V 반응을 DLTS로 유도된 함정 에너지 수준과 포착 단면적과 연관지어 방법을 검증한다.
• C-V 반응의 온도 의존성을 활용하여 함정 유도 오차를 보정하고 정확한 도핑 프로파일을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CIGS에서 깊은 수준의 함정은 실온에서 전통적인 C-V 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 함정 대 도핑 비율 조건에서도 히스테리시스를 감소시키고 도핑 프로파일 추출 정확도를 향상시킬 수 있는 빠른 C-V 방법이 가능한가?
• RQ3 200 K 이상에서 비정상적인 C-V 거동을 유발하는 깊은 함정의 성질과 에너지 수준은 무엇인가?
• RQ4 빠른 C-V 방법을 통해 도핑 농도와 함정 농도를 동시에 추정할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 다양한 온도에서 높은 도전성이 나타나는 도핑 프로파일에 어떤 왜곡을 초래하는가? 그리고 이를 보정할 수 있는가?

주요 결과

• 빠른 C-V 방법은 실온에서 CIGS에서 히스테리시스와 도핑 오차를 효과적으로 완화하여 정확한 도핑 프로파일 측정이 가능하다.
• DLTS 분석을 통해 발화대비 약 0.5 eV 높은 곳에 위치한 깊은 함정이 200 K 이상에서 C-V 이상 현상의 원인임을 규명하였다.
• 함정 농도가 도핑 농도보다 현저히 높은 조건에서도 이 방법은 신뢰할 수 있는 도핑 프로파일 추출이 가능하다.
• 온도 의존성 측정을 통해 고온에서의 높은 도전성이 잠재적 도핑 프로파일에 왜곡을 유도하는 것으로 밝혀졌지만, 빠른 C-V 방법은 이 영향을 보정할 수 있었다.
• 이 기술은 단일 측정을 통해 함정 농도와 도핑 농도를 동시에 추정할 수 있어 공정 제어에 있어 유용성이 높다.
• 이 방법은 빠른 속도와 실온에서의 작동 특성 덕분에 생산 라인 모니터링에 통합하기에 적합하다.