TY - THES A1 - Kot, Dawid T1 - Influence of vacancies introduced by RTA on the nucleation, size, morphology, and gettering efficiency of oxygen precipitates in silicon wafers T1 - Einfluß von Vakanzen, eingebracht durch RTA, auf die Nukleation, Größe, Morphologie und Gettereffizienz von Sauerstoffpräzipitaten in Siliziumscheiben N2 - Internal gettering based on oxygen precipitates is a technique which is used to remove occasional metal contaminations from the active region of microelectronic devices. In order to obtain efficient internal gettering, the precipitation of oxygen in silicon must be precisely controlled. This can be done by rapid thermal annealing (RTA). RTA offers the possibility to establish well defined vacancy concentrations in silicon wafers. Since vacancies are well known to enhance the precipitation of oxygen in Czochralski silicon, RTA pre-treatments can be used to control the generation of oxygen precipitates. This work provides information about the influence of vacancies, introduced by RTA, in silicon wafers on the nucleation of oxygen precipitates during a subsequent annealing in the temperature range between 400 °C and 1000 °C. Moreover, detailed investigations show morphologies and sizes of oxygen precipitates observed in vacancy supersaturated samples subjected to an annealing in the temperature range between 700 °C and 1000 °C for different annealing times. The morphology of the oxygen precipitates was investigated by scanning transmission electron microscopy (STEM) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. In case of FTIR spectroscopy, the absorption bands were assigned to morphologies of the oxygen precipitates observed by STEM. The final part of investigations presented in this work is dedicated to the gettering efficiency of metal impurities. Special focus is devoted towards the gettering efficiency of Cu in vacancy supersaturated samples. In order to understand the gettering of Cu in samples contaminated with high and low concentrations of Cu, two getter tests were carried out. A haze getter test was used to investigate the getter efficiency of Cu in highly contaminated samples. In this particular case, the concentration of Cu equals the concentration of Cu at its solubility limit at 900 °C. A “7 day storage getter test”, developed in this work, was used for the investigation of the getter efficiency of Cu in samples contaminated with low concentration of Cu amounting to 1×1013 cm-2. It was found that the density of oxygen precipitates increases with increasing concentration of vacancies. The nucleation curves of oxygen precipitates in the vacancy supersaturated samples consist of three maxima wherein the maximum observed at 800 °C can be found only in the vacancy rich samples. These maxima can be explained assuming the nucleation of coherent plate-like nuclei consisting of oxygen mono-layers ((Oi)2-p1) and oxygen double-layers ((Oi)2-p2) for the peaks at 450 °C and at 650 °C, respectively, and VO2 mono layers for the peak at 800 °C. The STEM investigations have shown the change of the morphology of oxygen precipitates in samples subjected to nucleation annealing at various temperatures. It was observed, that different temperatures of the RTA pre-treatment and thus different supersaturations of vacancies did not influence the morphology of oxygen precipitates in samples annealed at 800 °C. After annealing at a temperature of 800 °C three and two dimensional dendritic precipitates were found. This kind of precipitates gave rise to an absorption band at 1040 cm-1 as shown by FTIR investigations. From the results of the getter test it was deduced that secondary defects like dislocations have a strong influence on the getter efficiency in samples contaminated with high concentrations of Cu and Ni. In case of the samples contaminated with low concentration of Cu, gettering at dislocations is less important and oxygen precipitates become the main getter sink for Cu. It was also observed, that Cu aggregates at the edge of plate-like precipitates at the site of tensile strain of the silicon lattice. Moreover, the size and density of oxygen precipitates can strongly influence the getter efficiency of metal impurities. The results and observations presented in this work can be very useful for designing and fabrication of high performance silicon wafers. The results can be used for the development of a gettering simulator based on oxygen precipitation. The results of the analysis of the FTIR spectra can be helpful for the fast characterization of the morphologies of oxygen precipitates by means of FTIR. N2 - Die interne Getterung basierend auf Sauerstoffpräzipitaten ist eine Technik, die verwendet wird, um gelegentliche Metallverunreinigungen aus dem aktiven Bereich der mikroelektronischen Bauelemente zu entfernen. Um eine effiziente interne Getterung zu erhalten, muss die Präzipitation von Sauerstoff in Silizium präzise gesteuert werden. Dies kann durch schnelle thermische Behandlung (RTA) erfolgen. RTA bietet die Möglichkeit, genau definierte Vakanzenkonzentrationen in Siliziumwafern einzubauen. Weil bekannt ist, dass die Vakanzen die Präzipitation von Sauerstoff in CZ Silizium fördern, kann durch eine RTA Vorbehandlung die Bildung von Sauerstoffpräzipitaten gesteuert werden. Diese Arbeit liefert Informationen zum Einfluß von Vakanzen, deren Konzentration durch RTA eingestellt wurde, auf die Keimbildung von Sauerstoffpräzipitaten in Siliziumwafern während einer anschließenden Temperung im Temperaturbereich zwischen 400 °C und 1000 °C. Außerdem zeigen detaillierte Untersuchungen die Morphologien und Größen der Sauerstoffpräzipitate in vakanzenübersättigten Proben, die einer Temperung im Temperaturbereich zwischen 700 °C und 1000 °C für unterschiedliche Zeiten ausgesetzt waren. Die Morphologie der Sauerstoffpräzipitate wurde mittels STEM und FTIR-Spektroskopie untersucht. Im Fall der FTIR-Spektroskopie wurden die Absorptionsbanden bestimmten Morphologien der Sauerstoffpräzipitate, beobachtet durch STEM, zugeordnet. Der letzte Teil der Untersuchungen in dieser Arbeit bezieht sich auf die Gettereffizienz der Sauerstoffpräzipitate für metallische Verunreinigungen. Besondere Aufmerksamkeit ist der Gettereffizienz von Cu in vakanzenübersättigten Proben gewidmet. Um die Getterung von Cu in Proben mit hoher und niedriger Konzentration von Cu zu verstehen, wurden zwei verschiedene Gettertests durchgeführt. Der „Haze Getter Test“ wurde verwendet, um die Effizienz der Cu-Getterung in stark kontaminierten Proben zu untersuchen. In diesem speziellen Fall ist die Konzentration des Cu gleich der Löslichkeit von Cu bei 900 ° C. Ein „Gettertest mit 7 Tage Lagerung“, der in dieser Arbeit entwickelt wurde, wurde zur Untersuchung der Gettereffizienz in Proben mit niedriger Cu-Konzentration in Höhe von 1 × 1013 cm-2 verwendet. Es wurde festgestellt, dass die Dichte der Sauerstoffpräzipitate mit der Erhöhung der Vakanzenkonzentration steigt. Die Keimbildungskurven der Sauerstoffpräzipitate in den vakanzenübersättigten Proben besitzen drei Maxima, wobei das Maximum bei 800 °C nur in vakanzenreichen Proben gefunden wurde. Diese Maxima können auf der Grundlage der Keimbildung von kohärenten, plättchenförmigen Keimen, bestehend aus Sauerstoff-mono-Schichten ((Oi) 2-p1) und Sauerstoff-doppel-Schichten ((Oi) 2-p2) für die Peaks bei 450 °C und bei 650 °C und mit VO2-mono-Schichten für den Peak bei 800 °C erklärt werden. STEM Untersuchungen haben die Veränderung der Morphologie der Sauerstoffpräzipitate in Proben, die einer Keimbildungstemperung bei verschiedenen Temperaturen unterzogen wurden, gezeigt. Es wurde beobachtet, dass unterschiedliche Temperaturen der RTA-Vorbehandlung und somit unterschiedliche Übersättigungen von Vakanzen keinen Einfluss auf die Morphologie der Sauerstoffpräzipitate in den Proben, die bei 800 °C getempert wurden, hatten. Nach Temperungen bei einer Temperatur von 800 °C wurden drei- und zweidimensionale dendritische Präzipitate gefunden. Diese Art der Präzipitate gab Anlass zu einer Absorptionsbande bei 1040 cm-1, was durch FTIR-Untersuchungen gezeigt wurde. Aus den Ergebnissen der Getter-Test wurde geschlossen, dass sekundäre Defekte, wie Versetzungen, einen großen Einfluss auf die Gettereffizienz in Proben mit hoher Konzentration von Cu- und Ni-Verunreinigungen haben. In Proben mit niedriger Konzentration von Cu ist die Getterung an Versetzungen weniger wichtig und die Sauerstoffpräzipitate werden die Hauptgettersenke für Cu. Die Aggregation von Cu wurde an der Kante von plättchenförmigen Präzipitaten gefunden, wo das Siliciumgitter unter Zugspannung steht. Außerdem kann die Größe und Dichte der Sauerstoffpräzipitate starken Einfluss auf die Gettereffizienz von Metallverunreinigungen haben. Die Ergebnisse und die Beobachtungen, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, können sehr nützlich für die Entwicklung und Herstellung von hochwertigen Siliziumwafern sein. Die Ergebnisse können auch für die Entwicklung von Gettersimulatoren für Sauerstoffpräzipitate verwendet werden. Die Ergebnisse der Analyse von FTIR-Spektren können hilfreich sein für die schnelle Charakterisierung der Morphologien von Sauerstoffpräzipitaten mittels FTIR. KW - Silicium KW - Wafer KW - Sauerstoff KW - Getterung KW - Thermomechanische Behandlung KW - RTA KW - Vakanz KW - Sauerstoffpräzipitat KW - Getterung KW - RTA KW - Vacancy KW - Oxygen precipitate KW - Gettering Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28435 ER - TY - THES A1 - Schwartz, Bernhard Ewald T1 - Die Lumineszenz von Germanium-Strukturen auf Silizium-Substrat T1 - Luminescence of germanium structures on silicon substrates N2 - Um die technischen Limitierungen bezüglich der Geschwindigkeit und Verlustleistung aktueller Mikroprozessoren zu überwinden, sind neue Technologien notwendig. Eine Möglichkeit ist der Austausch klassischer metallischer Verbindungsleiter durch optische Übertragungswege. Als monolithisch integrierbare Lichtquellen kommen Germanium-basierte Leuchtdioden oder Laser auf Silizium-Substrat in Frage. Dafür ist eine intensive direkte Lumineszenz der Ge-Schicht nötig. Aus diesem Grund wurde der Einfluss von Donatorkonzentration, Verspannung, Quanten-Confinement und Versetzungsdichte auf die Lumineszenzintensität von Ge-Strukturen mittels Photo- und Elektrolumineszenz-Spektroskopie (PL bzw. EL) untersucht. Eine Antimon-Konzentration von 3e19/cm³ erhöhte die Intensität um das Vierfache im Vergleich zu einer intrinsischen Ge-Schicht. Eine zusätzliche Zugverspannung durch ein virtuelles Substrat aus GeSn erzielte nur eine geringfügige Intensitätssteigerung. Eine GeSn/Ge Multi-Quantum-Well (MQW) Struktur steigerte die Lumineszenz um den Faktor 16. Jedoch wurde durch transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen der Strukturen eine hohe Dichte von Durchstoßversetzungen (threading dislocations) im Bereich von 1e9/cm² gefunden. Diese bewirken eine Reduzierung der Lumineszenzintensität um zwei Größenordnungen, wie PL-Messungen an pseudomorph gewachsenen Ge/Si-MQW-Schichten zeigen. Eine Analyse der Strom-Spannungs-Kurven ergab einen weitaus weniger schädlichen Einfluss von Durchstoßversetzungen im Germanium als dies für Silizium der Fall ist. Im Hinblick auf eine Steigerung der direkten Ge-Lumineszenz sollten dotierte MQW-Strukturen und eine Reduzierung der Versetzungsdichte Anwendung finden. N2 - In order to address the technical bottleneck of speed and power loss in current microprocessors, new technologies are needed. One possibility is the rational exchange of metallic connections with optical on-chip interconnects. Therefore, a suitable light source is needed. Germanium-based light emitting diodes or lasers grown on silicon substrates are promising candidates for monolithically integrated light sources. This requires a strong direct luminescence of the Ge layer. This work studies the influence of donor concentration, strain, quantum confinement and dislocation density on the luminescence intensity of Ge-based structures by means of photo- and electroluminescence spectroscopy. An antimony concentration of 3e19/cm³ increases the intensity by a factor of four compared to an intrinsic Ge layer. Additional tensile strain introduced by a GeSn virtual substrate causes only a slight increase in intensity. A GeSn/Ge multi-quantum-well (MQW) structure exhibits a 16 times increase of the luminescence. However, transmission electron microscopy studies of these structures revealed a high density of threading dislocations in the range of 1e9/cm². This causes a reduction of the luminescence intensity by two orders of magnitude, as photoluminescence measurements on pseudomorphically grown Ge/Si-MQW-layers show. Current-voltage characteristics of the Ge devices show a far less detrimental effect of dislocations than in case of Si devices. In order to increase the direct luminescence of Ge, the use of doped MQW structures and a reduction of the threading dislocation density should be favoured. KW - Germanium KW - Zinn KW - LED KW - Silizium KW - Si-Photonik KW - Tin KW - Luminescence KW - Silicon KW - Silicon photonics KW - Germanium KW - Lumineszenz KW - Silicium KW - Photonik Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48647 ER - TY - THES A1 - Krause, Christoph T1 - Investigation of particular crystal defects in solar silicon materials using electron beam techniques T1 - Untersuchung ausgewählter Kristalldefekte in Solarsilizium unter Verwendung von Elektronensondenverfahren N2 - The aim of this work is to describe and explain the properties of defects in multicrystalline (mc) and thin-film solar silicon (Si). For this reason, investigations with scanning electron microscope methods were performed, namely cathodoluminescence (CL), electron beam induced current (EBIC), electron backscatter diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM). Additionally, photoluminescence (PL) and reverse-biased electro luminescence (ReBEL) measurements were also conducted. Through correlation of PL, ReBEL and EBIC, it was possible to localize breakdown sites at mc-Si solar cells. Problems that occurred during the thin-film EBIC investigations could be demonstrated and explained. For the first time cross sectional EBIC investigations could be performed on thin-film silicon tandem cells. At mc-Si, it was possible to observe the oxygen related P-line next to the common D1-line luminescence at 10 K clearly distinguishable from each other at once. Furthermore, a hitherto not comprehensively discussed intense luminescence line at 0.93 eV could be described in detail. Through correlation of PL, CL, EBIC, EBSD, and TEM measurements, the origin of the now named Di luminescence at 0.93 eV is postulated to be in connection with Frank partial dislocations, with two energetic levels inside the band gap, one at 112±9 meV below the conduction band and the other at 93±10 meV above the valence band. Finally, it was attempted to explain the behavior of twin boundaries at temperatures below 30 K, where these show an enhanced collection efficiency in comparison to the surrounding grains. An alteration of the local “freeze out” temperature, possibly by a local band gap narrowing, is suggested as a reason. Another conceivable explanation is a breakdown of the diode potential at the grains. N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Auftreten von verschiedenen Defekten sowohl in multikristallinem als auch in Dünnschicht-Solar Silizium zu beschreiben. Die vielfältigen Möglichkeiten wie Defekte im Material auf Grund ihrer Eigenschaften nachgewiesen werden können wurden eingehend untersucht. Dazu wurden Rasterelektronenmikroskopie Verfahren wie Kathodolumineszenz (CL), Elektronenstrahl-induzierte Strom (EBIC) Messungen, rückgestreute Elektronenbeugungsuntersuchungen (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. Außerdem wurden auch Ergebnisse aus Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz unter Sperrvorspannung (ReBEL) zur Defektcharakterisierung herangezogen. Durch die Korrelation von ReBEL, PL und EBIC Daten war es möglich, Durchbruchstellen in mc-Si Solarzellen zu lokalisieren und mögliche Ursachen für diese aufzuzeigen. Die Anwendung von EBIC an dünnen Siliziumschichten sowie die damit verbundenen Präparations-, Mess- und Analyseprobleme konnten gezeigt und erläutert werden. Es war außerdem erstmals möglich EBIC Messungen an Querschnitten von Dünnschicht-Silizium-Tandemzellen erfolgreich durchzuführen und dadurch Informationen über die Rekombinationsaktivität von Defekten in unterschiedlichen Schichten der Zellen zu sammeln. Bei der Durchführung von CL Messungen an mc-Si bei 10 K konnte gezeigt werden, dass die in der Literatur mit Sauerstoffpräzipitaten in Verbindung gebrachte Lumineszenz bei 0.77 eV (P-Linie), auch parallel zur D1-Linie klar unterscheidbar auftreten kann, was bis dahin in dieser Art noch nicht publiziert wurde. Neben der P-Linie konnte eine intensive Lumineszenz bei 0.93 eV festgestellt werden, die ebenfalls bei Raumtemperatur messbar ist. Diese bis dahin nicht umfassend beschriebene Lumineszenz, welche im Laufe der Arbeit die Bezeichnung Di-Linie erhielt, wurde detailliert untersucht und beschrieben. Dazu wurden die Ergebnisse von PL, CL, EBIC, EBSD und TEM miteinander korreliert. Durch die umfassenden Untersuchungen konnte ein Zusammenhang mit Frank Partialversetzungen postuliert werden. Für diese Defektlumineszenz könnten zwei Defektlevel in der Bandlücke, bei 112 ± 9 meV unterhalb des Leitungsbandes und 93 ± 10 meV oberhalb des Valenzbandes, verantwortlich sein. Im letzten Teil der Arbeit wurde versucht, das Sammlungsverhalten von Zwillingskorngrenzen bei Temperaturen unterhalb von 30 K zu erklären. In diesem Temperaturbereich zeigen Zwillingskorngrenzen eine erhöhte Sammlungseffizienz im Vergleich zu den umgebenen Körnern. Als Ursache dafür wird ein lokaler Unterschied in der “Ausfriertemperatur” der Ladungsträger vermutet. Um eine derartige Schwankung auszulösen, könnte eine lokale Verkleinerung der Bandlücke, möglicherweise spannungsinduziert, in Frage kommen. Eine ebenfalls in Betracht kommende Erklärung wäre ein Zusammenbruch des Diodenpotentials im Bereich der Körner. KW - Defects KW - Silicon KW - EBIC KW - CL KW - Di luminescence KW - Defekte KW - Silizium KW - EBIC KW - CL KW - Di Lumineszenz KW - Solarzelle KW - Silicium KW - Zuverlässigkeit Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34846 ER - TY - THES A1 - Mankovics, Daniel T1 - Luminescence investigation of bulk solar silicon and silicon thin films on glass substrate T1 - Lumineszenz-Untersuchungen von bulk-Solarsilizium und Silizium-Dünnfilmen auf Glassubstrat N2 - The aim of this work is to study the optical properties of crystal defects in multicrystalline solar silicon and poly-/microcrystalline silicon thin films on glass substrate. First a setup for photoluminescence imaging on multicrystalline silicon solar wafers was developed. This system is suitable for detecting band-to-band luminescence as well as defect-related luminescence at room temperature on large-scale wafers at different stages of their processing. Spectroscopic photoluminescence investigations of multicrystalline silicon solar wafers indicated a new intense luminescence line at ≈ 0.91 eV at room temperature. The origin of this line is probably found in a specific grain boundary. Furthermore, luminescence in the region of 0.8 eV was investigated in detail, and it was found that probably oxygen is responsible for a peak at 0.77 eV at 80 K. Electroluminescence investigations at room temperature at both materials exhibit extended defect structures such as grain boundaries. Furthermore, it can be concluded that electroluminescence imaging in reverse bias mode indicate on serious breakdown points in solar cells, which can lead to destruction of solar cells and modules. By comparing defect-related and reverse bias electroluminescence images, a difference in the spatial distribution of defects emitting D1 radiation and defects emitting light under reverse bias beyond -12 V is detectable. In addition, there seems to be a correlation in the distribution of non-doping impurities and photoluminescence. Concerning this, vertical slabs of two silicon blocks were examined by means of Fourier-transform infrared spectroscopy and photoluminescence. A correlation of the distributions of interstitial oxygen and the band-to-band luminescence profiles could be found. Additionally, a correlation between D3/D4 luminescence profile and nitrogen distribution in the blocks was observed. Finally, the growth process, particularly the transition from amorphous to microcrystalline silicon by PECVD, was studied by combined photoluminescence and Raman investigations. Formation of silicon nano-grains was detected by means of photoluminescence and Raman spectroscopy. N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist es, die optischen Eigenschaften von Kristalldefekten in multikristallinem Solarsilizium und poly-/mikrokristallinen Silizium-Dünnschichten auf Glas-Substrat zu studieren. Zuerst wurde ein Aufbau für Photolumineszenz-Imaging an multikristallinem Silizium-Solarwafern entwickelt. Dieses System eignet sich zur Erfassung von Band-zu-Band-Lumineszenz sowie Defekt-Lumineszenz bei Raumtemperatur großer Solarwafer nach verschiedenen Prozessschritten. Spektroskopische Photolumineszenz-Untersuchungen von multikristallinen Silizium-Solarwafern zeigte eine neue intensive Lumineszenzlinie bei ≈ 0.91 eV bei Raumtemperatur. Der Ursprung dieser Linie liegt wahrscheinlich in einer bestimmten Korngrenze. Weiterhin wurde die Lumineszenz im Bereich von 0.8 eV im Detail untersucht, und es wurde gefunden, dass wahrscheinlich Sauerstoff für einen Peak bei 0.77 eV bei 80 K verantwortlich ist. Elektrolumineszenz Untersuchungen bei Raumtemperatur an beiden Materialien zeigen ausgedehnte Defektstrukturen wie Korngrenzen. Darüber hinaus kann der Schluss gezogen werden, dass das Elektrolumineszenz-Imaging im Rückwärtsvorspannungs-Modus auf schwerwiegende Durchbruchstellen in Solarzellen hinweist, die zur Zerstörung von Solarzellen und Modulen führen kann. Durch Vergleich von Defektlumineszenz- und Sperrvorspannungs-Elektrolumineszenz-Bildern ist ein Unterschied in der räumlichen Verteilung der Defekte, die D1 emittieren, und der Durchbruchlumineszenz unter Sperrvorspannung über -12 V erkennbar. Außerdem gibt es Hinweise auf einen Zusammenhang bei der Verteilung von nicht-dotierenden Verunreinigungen und der Lumineszenz. Hierzu wurden vertikale Scheiben zweier Siliziumblöcke mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie und Photolumineszenz untersucht. Eine Korrelation der Verteilung von interstitiellem Sauerstoff und den Band-zu-Band-Lumineszenz-Profilen konnte gefunden werden. Außerdem wird eine Korrelation zwischen dem D3/D4 Lumineszenzprofil und der Stickstoffverteilung in den Blöcken beobachtet. Schließlich wurde der Wachstumsprozeß, insbesondere der Übergang von amorphem zu mikrokristallinem Silizium mittels PECVD, durch Kombination der Photolumineszenz- und Raman-Methoden untersucht. Bildung von Silizium-Nanokörnern wurde mittels Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie detektiert. KW - Silicon KW - Defects KW - Photoluminescence KW - Luminescence imaging KW - Silicon thin films KW - Silizium KW - Defekte KW - Photolumineszenz KW - Lumineszenz-Imaging KW - Silizium-Dünnfilme KW - Silicium KW - Dünnschichttechnik KW - Solarzelle KW - Fehleranalyse Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35196 ER -