Die elektronische Struktur des amorph-kristallinen Silizium-Heterostruktur-Kontakts

In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Zustandsdichte hydrogenisierter amorpher Silizium (a-Si:H)-Schichten mit Dicken von 300 bis hinab zu ~2 nm untersucht. Die dazu eingesetzte Methode der Nah-UV-Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES) liefert eine gemittelte Valenzband-Zustandsdichte d...

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Main Author: Korte, Lars
Contributors: Fuhs, Walter (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2006
Physik
Subjects:
Ph
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Zustandsdichte hydrogenisierter amorpher Silizium (a-Si:H)-Schichten mit Dicken von 300 bis hinab zu ~2 nm untersucht. Die dazu eingesetzte Methode der Nah-UV-Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES) liefert eine gemittelte Valenzband-Zustandsdichte der bandkantennahen ausgedehnten Zustände (bis etwa Ev-1 eV) sowie die Zustandsdichte in der Bandlücke zwischen Ev und dem Ferminiveau Ef. Dabei können mit der hier zur Zustandsdichte-Spektroskopie weiterentwickelten constant final state yield-Spektroskopie (CFSYS) Zustandsdichten über mehr als 8 Größenordnungen von >10e22 bis hinab zu 10e14 1/(eV cm³) detektiert werden. Die CFSYS detektiert die Photoelektronen bei einer konstanten final state-Energie, und die Anregungsenergie hv wird variiert, im hier genutzten Aufbau zwischen ~4 und 7-8eV. Die Detektionsenergie wird so gewählt, dass Elektronen gezählt werden, deren kinetische Energie gerade ausreicht, um die Austrittsarbeits-Barriere von der Probe ins Vakuum zu überwinden. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Techniken der Photoelektronenspektroskopie, wo mit festen Anregungsenergien und variabler Detektionsenergie gearbeitet wird. Vorteil der CFSYS ist die für Photoelektronenspektroskopie große Informationstiefe von ~5-10nm, die optimal an die hier untersuchten Schichtdicken angepasst ist, und die erwähnte Spanne von 8 Größenordnungen in der detektierbaren Zustandsdichte. Um systematische Fehlern bei der Auswertung der gemessenen Spektren zu vermeiden, ist die korrekte Berücksichtigung der Energieauflösung des Spektrometers notwendig. Daher wurde sie gemessen und als (von der Anregungsenergie abhängige) Transferfunktion beschrieben. Die entwickelte PES-Methodik (PES-Messung und Anpassung der Modell-Zustandsdichte) wurde auf Serien von etwa 10nm dünnen a-Si:H-Schichten auf c-Si-Substrat angewendet, bei denen die Depositionstemperatur und die Dotierkonzentration von Phosphor oder Bor variiert wurden. Da bei diesen Schichtdicken die Lage des Ferminiveaus nicht aus Messungen der Photoleitung oder der Dunkelleitfähigkeit bestimmt werden kann, ist die Nah-UV-PES hier die einzige Möglichkeit, Defektdichten und die Lage des Fermi-Niveaus zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Auch ultradünne Schichten zeigen ein Optimum der Depositionstemperatur um 230°C, das charakterisiert ist durch eine Urbach-Energie von 66(1meV und eine Defektdichte von 2,9(3)e18 1/cm³. Das Ferminiveau liegt dabei für undotierte Schichten bei Ef-Ev=1,04(6) eV, die Filme sind also n-leitend. Aus Leitfähigkeitsmessungen an identisch präparierten dicken Schichten auf Glas kann man den Abstand des Ferminiveaus zur Leitungsband-Beweglichkeitskante El-Ef bestimmen. Dann lässt sich unter der Annahme, dass sich die Bandlücke von dünnen Schichten im Vergleich zu dicken nicht ändert, die Beweglichkeits-Lücke El-Ev bestimmen. Sie zeigt den von dicken Schichten bekannten Trend einer Abnahme der Bandlücke mit steigender Depositionstemperatur. Reduziert man die a-Si:H-Schichtdicke unter die Informationstiefe der Nah-UV-PES, dann liefert die Zustandsdichte des darunterliegenden Substrats Beiträge zum gemessenen Signal. Es wurde gezeigt, dass das gemessene Spektrum sich als Summe aus den Spektren einer Wasserstoff-terminierten c-Si-Oberfläche und einer dicken (~100nm) a-Si:H-Schicht beschreiben lässt. Die Verschiebung der beiden Spektren gegeneinander liefert direkt die Banddiskontinuität (band-offset) der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche. Die durchgeführten Messungen an Schichtdickenserien von intrinsischen, n- und p-dotierten ultradünnen a-Si:H-Schichten auf n- und p-dotierten c-Si-Wafern stellen die erste systematische Untersuchung des a-Si:H/c-Si-Band-offsets mit den Methoden der Nah-UV-PES dar. Der Mittelwert des Band-offsets wurde zu DEv = 0,458(6)eV bestimmt. Er ist unabhängig von der Dotierung sowohl der a-Si:H-Schicht als auch des Substrats, nimmt aber geringfügig mit der a-Si:H-Schichtdicke ab. Der Wert von DEv, die Unabhängigkeit von der Dotierung und die Abnahme mit der Schichtdicke ist konsistent mit einem Modell, bei dem der Band-offset vom sog. Ladungs-Neutralpunkt der Materialien zu beiden Seiten der Grenzfläche sowie zusätzlichen Beiträgen von extrinsischen Grenzflächen-Dipolen abhängt.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0518