Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 623-629 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:01987002207062300

Impurity-induced microstructure of grain boundaries in cast silicon. Incidence on electrical properties

J.Y. Laval¹, J.L. Maurice^{2, 1} et C. Cabanel<sup>1, 3

1</sup>  Laboratoire de Microstructures, CNRS-ESPCI, 10, rue Vauquelin, 75231 Paris Cedex 05, France
²  Laboratoire de Physique des Matériaux, CNRS, 1, Place Aristide-Briand, 92190 Meudon, France
³  Centre d'Etudes de Chimie Métallurgique, CNRS, 15, rue Georges-Urbain, 94407 Vitry/Seine Cedex, France

Abstract
The role of impurities in polysilicon for photocell has been investigated. Aluminium and carbon residual impurities in the Bridgman and HEM materials were particularly considered. The combination of local electrical, chemical and structural information with high spatial resolution, specifically in transmission electron microscopy, allowed to correlate the crystallography and chemistry with the electrical activity and barriers at grain boundaries. For aluminium it was shown that GB electrical property depends on the localization and environment of this dopant. The different ways for carbon to impair electrical properties are described. The correlation with other impurities and specially oxygen are considered and finally the predominant role of impurities is pointed out.

Résumé
Le rôle des impuretés dans le silicium polycristallin pour photopile est analysé et tout particulièrement pour 1'aluminium et le carbone, impuretés résiduelles des méthodes Bridgman et HEM. Par combinaison des informations locales, électriques, chimiques et structurales, essentiellement en microscopie électronique en transmission, il est possible de relier l'activité et les barrières électriques à la cristallochimie du joint. Dans le cas de l'aluminium, il est montré que l'activité électrique du joint dépend de la localisation et de l'environnement du dopant. Par ailleurs, les différentes façons dont le carbone dégrade les propriétés électriques sont décrites. On considère les corrélations avec les autres impuretés dont l'oxygène et finalement le rôle prédominant des impuretés est souligné.

PACS
6170N - Grain and twin boundaries.
6170R - Crystal impurities: general.
6480G - Microstructure.
7155F - Impurity and defect levels in tetrahedrally bonded nonmetals.

Key words
crystal microstructure -- defect electron energy states -- elemental semiconductors -- silicon -- solar cells -- transmission electron microscope examination of materials -- semiconductor -- Bridgman material -- impurity induced microstructure -- grain boundaries -- polysilicon -- HEM materials -- structural information -- high spatial resolution -- transmission electron microscopy -- crystallography -- chemistry -- electrical activity -- electrical properties -- impurities -- Si:Al -- Si:C -- Si:O