Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel: Laserkristallisiertes polykristallines Silizium - Wasserstoffbindungen und elektronische Eigenschaften
Autor: Brendel, Karsten
Weitere Beteiligte: Fuhs, Walther (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2004
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0010
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0010
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-00100
DDC: Physik
Titel(trans.): Laser crystallised polycrystalline silicon - hydrogen bonding and electronic properties

Dokument

Schlagwörter:
electronic properties, Kristallisation, Wasserstoff, Silicium / Polykristall, Polycrystalline silicon, hydrogen bondings

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.

Summary:
In this thesis polycrystalline silicon is investigated. On one hand the focus of this work is on hydrogen which is in the polycrystalline (poly-Si) sample after crystallisation of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). On the other hand the electronic properties of poly-Si is investigated. In the following the main results are summarised. During the step-by-step crystallisation the hydrogen content of the film decreases. However, the hydrogen concentration in fully crystallised poly-Si can be up to 17 at.%. Hydrogen depth profiles show that the sample is dehydrogenated predominately at the surface near region. From hydrogen effusion measurements the hydrogen density of states can be calculated. A variation of the hydrogen content and the hydrogen binding energies of a-Si:H is obtained by variation of the deposition temperature. Laser crystallisation results in an increase of the H-binding energies of 0.2 - 0.3 eV. The deposition temperature of a-Si:H also influences the H-density of states in laser crystallised poly-Si. With increasing deposition temperature the hydrogen in poly-Si is bond in complexes with larger binding energies. A comparison with theoretical values of hydrogen binding energies in various complexes shows that a significant amount of hydrogen in poly-Si is bound at silicon dangling-bonds. In addition H is probably bound in complexes like platelets with different size. The hydrogen in the samples can be activated to passivate silicon dangling-bonds and thus the defect density is reduced. The process of defect passivation is thermally activated. The activation energy of 0.2 eV is independent of the position of the fermi energy. The doping efficiency of laser crystallised poly-Si is equal to unity. Electron paramagnetic resonance (EPR) measurements performed at room temperature show the resonance of the silicon dangling-bond. The spin density for undoped poly-Si amounts to 5x1018 cm-3. This value is constant for phosphorous concentrations up to 1x1019 cm-3. This shows that the dangling-bonds are predominately located at grain boundaries. For P-doped samples and at low temperatures the resonance of conducting electrons (CE) appears in the EPR-spectra with a g-value of 1.998. The g-value and the linewidth of the signal as a function of the doping concentration and the temperature is similar to single crystal silicon. The susceptibility of the CE resonance as a function of temperature can be described by a sum of Curie- and Pauli-like paramagnetism. With increasing P-concentration the Curie-part decreases and the Pauli-part increases. This is also similar to results for single crystal silicon but stays in contrast to results obtained for microcrytalline silicon. Luminescence measurements show a broad luminescene band centred at 0.98 eV which is attributed to band-tail luminescence. With increasing doping concentration the luminescence maximum shifts to higher energies. This is explained by a filling process of band-tail states. The results of the electronic properties are summarised to a schematic electronic density of states of poly-Si.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten