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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...
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| Main Author: | |
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| Contributors: | |
| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | German |
| Published: |
Philipps-Universität Marburg
2003
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| Subjects: | |
| Online Access: | PDF Full Text |
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| Summary: | 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. |
|---|---|
| DOI: | 10.17192/z2004.0010 |