[发明专利]一种掺杂的铸造多晶硅及制备方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于半导体领域的多晶硅材料，特别适用于光电领域的连续多晶硅固体实体材料。

背景技术

基于晶硅的光电池(或称光伏电池、太阳能电池)应具有最大可能地将太阳能辐射功率转化为电流的效率、以及尽可能长久的使用寿命和衰减速率。这是由多种因素决定的，例如硅原材料的纯度，硅晶体的类型(单晶、多晶)和缺陷、杂质分布以及晶向、内应力。同时，由于硅晶体被制成晶片使用，工业上倾向于制造较大尺寸的硅晶体毛胚(实体)，以获得较大尺寸的晶片，因而获得更高的生产效率；而降低硅晶体的缺陷和内应力，有助于增大可制取的晶片尺寸，还有助于提高成品和良品的产出率。

尽管通常要提高硅晶体的半导体性能，需要尽可能高纯度的硅原料来生长晶体，并尽可能降低杂质含量，但绝对纯的物质是工业上不存在的，例如，对于广泛应用于光伏领域的以改良西门法生产的多晶硅原料，其金属杂质含量一般为5*10¹⁵cm^-3，而采用一些低成本方法生产的光伏用硅原料，氧、碳、金属和其他杂质往往高达5*10¹⁶cm^-3。因而，对于纯度一定的硅原料，如何提高其性能更为重要。已知在硅晶体中，包含适当的掺杂物质，可以改善晶体的性能。例如，通过在原料中或晶体生长过程中掺入特殊的杂质，某些情况下硅晶体的一些性能获得提高。例如，文献CN01815935.4提出，在FZ或CZ硅单晶中，掺入氮，可以降低或消除氧致堆垛层错缺陷，CN200910099995.0提出，一定数量的氮掺入铸造多晶硅，可以提高多晶硅的机械性能。晶硅掺入一定数量的锗，一般认为将提高其机械性能，并有助于降低晶体的缺陷。另一方面，晶硅中诸如氧、碳、重金属等杂质，一般认为是有害杂质，导致晶硅中的缺陷和半导体性能的损害，特别是其光电性能的损害，需要尽可能地降低。而多种杂质共同存在时，由于彼此间的相互作用过于复杂，其对硅晶体的影响远未清楚。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种掺杂的晶硅，特别是掺杂了通常被认为是有害的氧、碳杂质的晶硅，不仅能避免氧碳杂质本身对晶硅性能的影响，并且能降低有害重金属对其半导体性能、尤其是光电性能的损害，和提高硅晶体的性能。

具体地，本发明提出了一种掺杂的方向凝固铸造多晶硅，包括晶锭、晶片，在其包含有提供其半导体电性能特征的III族或/和V族元素掺杂外，还含有特征性的杂质包括：约(平均值，下同)025～4*10¹⁷cm^-3的碳(原子数单位，下同)；约0.1～12*10¹⁶cm^-3的氮；约0.5～20*10¹⁷cm^-3的氧，约02*10¹⁶～1*10²⁰cm^-3的锗。所述的提供其半导体电特性的III、V族元素掺杂杂质，包括例如硼、铝、镓、铟，或磷、砷、锑等，或等效杂质锂，它们在晶硅中作为施主或受主，使硅呈现出半导体特性。

本发明的上述特征性杂质的含量，进一步优选为含氮约1.5～4.5*10¹⁵cm^-3；和进一步优选为含碳约0.5～2.5*10¹⁷cm^-3以及进一步优选为含氧约1～10*10¹⁷cm^-3；和进一步优选为含锗约1～50*10¹⁶cm^-3。

其中，各杂质浓度范围的优选方案，可以是彼此独立的，也可以是相对应的，即较高的一种掺杂杂质含量，对应较高的其他掺杂杂质含量，或者较低的一种掺杂杂质含量，对应较低的其他杂质含量。例如，含有氮1.5～4.5*10¹⁵cm^-3、碳0.5～2.5*10¹⁷cm^-3、氧1～10*10¹⁷cm^-3和锗1～50*10¹⁶cm^-3的铸造多晶硅。由于部分杂质在铸造中的分凝作用，杂质浓度彼此之间的对应，有利于加强其相互作用，对提高晶体的性能具有优势。