Laserkristallisiertes polykristallines Silizium - Wasserstoffbindungen und elektronische Eigenschaften

In dieser Arbeit wird laserkristallisiertes polykristallines Silizium (poly-Si) untersucht. Zwei Schwerpunkte stehen im Mittelpunkt der Arbeit: Die Bindungen von Wasserstoff (H), der sich nach der Kristallisation von hydrogenisiertem amorphem Silizium (a-Si:H) noch im Material be...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Brendel, Karsten
Beteiligte: Fuhs, Walther (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2003
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:In dieser Arbeit wird laserkristallisiertes polykristallines Silizium (poly-Si) untersucht. Zwei Schwerpunkte stehen im Mittelpunkt der Arbeit: Die Bindungen von Wasserstoff (H), der sich nach der Kristallisation von hydrogenisiertem amorphem Silizium (a-Si:H) noch im Material befindet und die elektronischen Eigenschaften des Materials. Im Folgenden werden kurz die wichtigsten Ergebnisse beschrieben. Durch die Step-by-Step Laserkristallisation nimmt die Wasserstoffkonzentration in den Filmen ab. Jedoch kann laserkristallisiertes poly-Si abhängig von der H-Konzentration im a-Si:H bis zu 17 at. % Wasserstoff enthalten. H-Tiefenprofile zeigen, dass die Schicht vorzugsweise an der oberflächennahen Region dehydrogenisiert wird und die H-Konzentration zum Substrat hin zunimmt. Aus Effusionsmessungen kann die H-Zustandsdichte berechnet werden. Für a-Si:H sind breite Verteilungen in der H-Zustandsdichte zu erkennen, die abhängig von der Depositionstemperatur mehr oder weniger ausgeprägt sind. Eine Variation der H-Konzentration und der H-Bindungen im a-Si:H wird mit verschiedenen Depositionstemperaturen erreicht. Laserkristallisation bewirkt eine Erhöhung der Bindungsenergien um 0.2 - 0.3 eV. Die Variation in der Depositionstemperatur von a-Si:H hat auch Einfluss auf die H-Zustandsdichte im poly-Si. Mit zunehmender Depositionstemperatur von a-Si:H ist der Wasserstoff im poly-Si in Komplexen mit größerer Bindungsenergie gebunden. Mit Hilfe von theoretischen Werten für H-Bindungsenergien in verschiedenen H-Komplexen können die einzelnen Beiträge in der H-Zustandsdichte H-Verbindungen zugeordnet werden. Ein signifikanter Anteil von H ist an Silizium Dangling-Bonds gebunden. Zudem ist H vermutlich in Platelets verschiedener Größe und Konfiguration gebunden. In Bor-dotiertem poly-Si treten H-Komplexe mit hohen Bindungsenergien nicht auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich in Bor-dotiertem Silizium aufgrund der Lage des Ferminiveaus keine Platelets bilden können. Der Wasserstoff im poly-Si kann durch einen Temperschritt aktiviert werden und die Defektdichte nimmt ab. Die Defektpassivierung ist thermisch aktiviert mit einer Aktivierungsenergie von etwa 0.2 eV, die unabhängig von der Lage des Ferminiveaus ist. Hall-Effekt-Messungen und Sekundär-Ionen-Massenspektroskopie zeigen, dass im poly-Si die Dotiereffizienz 1 beträgt. Bei Raumtemperatur erscheint die Resonanz von ungesättigten Silizium Bindungen (Dangling-Bond) in Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Spektren. Bei undotiertem poly-Si ist die Spindichte etwa 5 ? 1018 cm-3. Die Spindichte ist konstant für Phosphor-Konzentrationen < 1 ? 1019 cm-3 und nimmt dann für höhere Dotierkonzentrationen stark ab. Daraus wird geschlossen, dass die Dangling-Bonds vorzugsweise an den Korngrenzen lokalisiert sind. Bei tiefen Temperaturen und Phosphorkonzentrationen [P] > 3 ? 1018 cm-3 ist die Resonanz von freien Elektronen (CE) mit einem g-Wert von 1.998 in ESR-Spektren zu beobachten. Die Temperatur- und Dotierabhängigkeit des g-Wertes und der Linienbreite im poly-Si sind ähnlich wie im kristallinen Silizium. Allerdings ist die Linienbreite um eine Größenordnung gegenüber dem c-Si erhöht. Die Suszeptibilität der CE-Resonanz lässt sich mit einer Summe aus Curie- und Pauli-paramagnetischem Anteil beschreiben. Mit zunehmender Phosphor-Konzentration nimmt der Curie-Anteil ab und der Pauli-Anteil zu. Dies ist ähnlich wie in c-Si, steht aber im Gegensatz zu Ergebnissen für mikrokristallines Silizium (µc-Si:H). Laserkristallisiertes poly-Si zeigt bei tiefen Temperaturen Lumineszenz um 0.98 eV, die der Rekombination zwischen Bandausläufern zugeordnet wird. Mit zunehmender Dotierkonzentration nimmt die Lumineszenz-Intensität ab und das Lumineszenzmaximum schiebt zu größeren Energien. Dies wird mit einem Füllprozess von Bandausläufer-Zuständen erklärt.