Defekte in epitaktisch gewachsenen Silizium-Schichten (Niedertemperaturepitaxie)

Gegenstand der Arbeit ist die Analyse von Defekten in Silizium Schichten, die mit Elektronenzyklotronresonanz unterstützter Gasphasenabscheidung ("electron cyclotron resonance chemical vapour deposition", ECRCVD) bei Substrattemperaturen unterhalb 600°C deponiert wurden. Untersucht wurde e...

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Main Author: Petter, Kai
Contributors: Fuhs, Walther (Prof.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2006
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Gegenstand der Arbeit ist die Analyse von Defekten in Silizium Schichten, die mit Elektronenzyklotronresonanz unterstützter Gasphasenabscheidung ("electron cyclotron resonance chemical vapour deposition", ECRCVD) bei Substrattemperaturen unterhalb 600°C deponiert wurden. Untersucht wurde ein Modellsystem, bei dem etwa 1 Mikrometer dicke epitaktisch gewachsene Silizium (epi-Si) Schichten auf das ideale Substrat, einen (100) orientierten c-Si Wafer abgeschieden wurden. Die nominell undotierten Schichten sind unabhängig von den Depositionsbedingungen n-leitend mit Raumtemperatur-Ladungsträgerkonzentrationen (n_Hall) im Bereich von 10^15 cm^-3 bis 10^18 cm^-3. Ein Vergleich von n_Hall mit den Verunreinigungskonzentrationen in den Schichten lieferte Hinweise, dass Sauerstoff bei der Bildung der Donatoren beteiligt ist und zur Ausbildung eines Donators zwei Sauerstoffatome nötig sind. In Tieftemperatur Elektronen Spin Resonanz (ESR) Untersuchungen wurde eine Resonanz (k1) beobachtet, die einen für flache Donatoren typischen g-Wert hat und deren Spindichte nahezu identisch mit n_Hall ist. Dieses Verhalten kann in einem Modell erklärt werden, in dem angenommen wird, dass es sich bei dem k1-Zentrum um den für die n-Leitung verantwortlichen Donator handelt. Die beobachteten leichten Abweichungen von diesem Verhalten, sowie die Veränderungen des ESR-Spektrums bei Lichteinstrahlung und Temperaturerhöhung, können unter der Annahme erklärt werden, dass in den epi-Si Schichten auch leitungsbandnahe Akzeptorzustände vorhanden sind, die mit strukturellen Defekten in Verbindung stehen können. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Untersuchungen zeigten, dass in den epi-Si Schichten strukturelle Defekte vorhanden sind. Neben Stapelfehlern und pyramidenförmigen mikrokristallinen Wachstumsbereichen, wurden unterschiedliche Arten von Liniendefekte beobachtet. Einer dieser konnte als partielle Stufenversetzung identifiziert werden. Aus Photolumineszenzuntersuchungen ergaben sich zudem Hinweise, dass es sich bei einem weiteren Defekttyp um den sog. "line-interstitial defect", eine Agglomeration von Siliziumatomen auf Zwischengitterplätzen handelt. Zur Bestimmung der Dichte dieser strukturellen Defekte wurden Defektätzversuche durchgeführt. Eine detaillierte Analyse der Form und kristallografischen Ausrichtung der unterschiedlichen Ätzgruben macht es möglich, diese den im TEM beobachteten Defekten zuzuordnen, so dass eine einfache Dichtenbestimmung der unterschiedlichen Defekttypen möglich ist. Die Gesamtdichte an strukturellen Defekten lag im Bereich von 10^8 cm^-2. Untersuchungen an Bor-dotierten epi-Si Schichten zeigten, dass sich hier dieselben Typen von strukturellen Defekten ausbilden. Eine aus einer 2 Mikrometer dicken Bor-dotierten epi-Si Schicht präparierte Solarzelle hatte einen Wirkungsgrad von 4.2%. Dies liegt unter dem für eine defektfreien Solarzelle dieser Dicke zu erwartenden Wert. Ein Vergleich mit Simulationen zeigte, dass dies mit der hohen Defektdichte in der epi-Si Schicht von etwa 4x10^8 cm^-2 erklärt werden kann. Um den Einfluss der Defekte soweit zu verringern, dass diese sich nicht mehr signifikant auf die Solarzellenparameter auswirken, wäre eine Reduktion der Defektdichte um einen Faktor 100 notwendig.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0095