TY - THES A1 - Arguirov, Tzanimir Vladimirov T1 - Electro-optical properties of dislocations in silicon and their possible application for light emitters T1 - Elektro-optischen Eigenschaften von Versetzungen in Silizium und deren mögliche Anwendung für Licht-Emitter N2 - This thesis addresses the electro-optical properties of silicon, containing dislocations. The interest in those properties is driven mainly by two practical reasons. One is the optical characterisation of multicrystalline silicon for solar cells, and the other is the design of light emitting diodes based on silicon by enhancement of silicon radiative properties via introduction of dislocations. The work demonstrates that dislocation specific radiation may provide a means for optical diagnostics of solar cell grade silicon. It provides insight into the mechanisms governing the dislocation recombination activity, their radiation, and how are they influenced by other defects present in silicon. We demonstrate that photoluminescence mapping is useful for monitoring the recombination activity in solar cell grade silicon and can be applied for identification of contaminants, based on their photoluminescence signatures. It is shown that the recombination at dislocations is strongly influenced by the presence of metals at the dislocation sites. The dislocation radiation activity correlates with their electrical activity. Thus, photoluminescence mapping at room temperature may provide a means for revealing and characterising of dislocation-rich regions in multicrystalline silicon. It is shown that the dislocation and band-to-band luminescence are essentially anti-correlated. The band-to-band intensity being related to the diffusion length of minority carriers can be used for measurements of diffusion length, as long as the surface recombination rate is controlled. Moreover, photoluminescence mapping can be used for the detection of optically active defects in solar grade materials. Thus, betaFeSi2 precipitates, with a luminescence at 0.8 eV, were detected within the grains of block cast materials. They exhibit a characteristic feature of quantum dots, namely blinking. The second aspect of the thesis concerns the topic of silicon based light emitters for on-chip optical interconnects. The goal is an enhancement of sub-band-gap or band-to-band radiation by controlled formation of dislocation-rich areas in microelectronics-grade silicon as well as understanding of the processes governing such enhancement. For light emitters based on band-to-band emission it is shown, that internal quantum efficiency of nearly 2 % can be achieved, but the emission is essentially generated in the bulk of the wafer. On the other hand, light emitters utilizing the emission from dislocation-rich areas of a well localized wafer depth were explored. Three different methods for reproducible formation of a dislocation-rich region beneath the wafer surface were investigated and evaluated in view of their room temperature sub-band-gap radiation: (1) silicon implantation and annealing, (2) epitaxially grown SiGe buffer, and (3) direct wafer bonding. The most promising dislocation-based emitter appears the utilization of a dislocation network produced by wafer bonding. It is shown, that monochromatic D1 radiation (wavelength 1.5 µm) can be generated in a well localised depth of the wafer. The radiation is not absorbed in silicon and such localized emitter can, potentially, be coupled with silicon waveguides and Ge-based detectors for optical interconnects. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit den elektro-optischen Eigenschaften von Silizium mit Versetzungen. Das Interesse an den Versetzungseigenschaften beruht vor allem auf zwei praktischen Gründen: Die versetzungsspezifische Lumineszenz erlaubt einerseits optische Charakterisierung von multikristallinen Silizium für Solarzellen und anderseits die Entwicklung einer Silizium-basierten Leuchtdiode. Die Arbeit untersucht zunächst den Einsatz der Versetzungs-spezifische Lumineszenz für die optische Diagnostik von multikristallinen (Versetzungsreichen) Silizium für Solarzellen. Sie liefert Erkenntnisse über die Mechanismen für die versetzungsbedingte Rekombination, Versetzungsstrahlung, und darüber, wie diese durch andere Defekte im Silizium beeinflusst werden. Es wird gezeigt, dass Photolumineszenz-Mapping anwendbar ist für eine großflächige Analyse der Rekombination in Solarzellen-Silizium und für die Identifizierung von Verunreinigungen angewendet werden kann. Es wird gezeigt, dass metallische Verunreinigungen starken Einfluss auf die Rekombination im Bereich der Versetzungen haben und dass die Strahlungsaktivität mit ihrer elektrischen Aktivität korreliert. Versetzungs- und Band-Band-Lumineszenz sind im Wesentlichen antikorrelieret. Die Band-Band-Intensität ist abhängig von der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Daher kann Band-Band Strahlung als Maß für die Diffusionslänge benutzt werden, sofern die Oberflächenrekombination bekannt ist. Darüber hinaus kann Photolumineszenz-Mapping auch für den Nachweis von optisch aktiven Defekten in Solarzellen-Silizium verwendet werden. So wurden betaFeSi2 Ausscheidungen, mit einer Strahlungsenergie von 0,8 eV, innerhalb der Körner von Blockguss Silizium nachgewiesen. Sie zeigen ein charakteristisches Merkmal von Quantenpunkten, das sogenannte Blinken. Der zweite Aspekt der Forschung steht im Zusammenhang mit der Suche nach Silizium-basierten Licht-Emittern für On-Chip optische Interconnects. Das Ziel ist, durch kontrollierte Bildung von versetzungsreichen Gebieten in der Silizium Wafer eine Erhöhung des Sub-Bandgap oder Band-Band-Strahlung zu erreichen und die Prozesse, welche für eine solche Erhöhung verantwortlich sind zu verstehen. Es wird gezeigt, dass Band-Band Licht-Emittern eine interne Quanten-Effizienz von fast 2% erreichen können, aber die Emission entsteht im Wesentlichen im gesamten Volumen des Wafers. Licht Emitter, welche die Emission von versetzungsreichen Gebieten ausnutzen, können dagegen in einer definierten Tiefenschicht eingeschränkt werden. Drei verschiedene Methoden zur reproduzierbaren Bildung der versetzungsreiche Regionen unterhalb der Wafer-Oberfläche wurden untersucht und im Hinblick auf ihre Raumtemperatur Sub-Bandgap-Strahlung bewertet: (1) Silizium-Implantation und Ausheilen, (2) epitaktisch gewachsene SiGe-Puffer, und (3) direktes Wafer-Bonding. Wafer-Bonding erscheint am besten geeignet für versetzungsbasierte Lichtemitter. Es wird gezeigt, dass monochromatische D1-Strahlung (Wellenlänge 1,5 mm) erzeugt werden kann in einer gut lokalisierten Tiefe der Wafer. Die Strahlung wird nicht in Silizium absorbiert und solche lokalisierten Emitter sind möglicherweise geeignet für die Kopplung mit einem Silizium-Wellenleiter und Ge-Detektor für eine optische Interconnects. KW - Silicium KW - Versetzung KW - Lumineszenz KW - Lumineszenz KW - Versetzungen KW - Silizium KW - Luminescence KW - Dislocations KW - Silicon Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5837 ER - TY - THES A1 - Hartmann, Carsten T1 - Aluminiumnitrid-Volumenkristallzüchtung mittels physikalischen Gasphasentransports T1 - Bulk aluminum nitride growth by physical vapour transport N2 - In der Promotionsarbeit wurde ein Züchtungsverfahren zur Herstellung strukturell hochqualitativer AlN-Volumenkristalle mittels PVT-Methode entwickelt. Wesentliche Grundvoraussetzungen dafür sind ein thermisch und chemisch stabiles Tiegelmaterial, ein AlN-Quellmaterial mit Sauerstoffverunreinigungen <300 ppm und AlN-Keime mit hoher kristalliner Perfektion. Unter den getesteten potenziellen Tiegelmaterialien (BN, TaC, TaN, NbC, NbN, TaB2, W) zeigten sich TaC und mit Abstrichen W unter AlN-Züchtungsbedingungen ausreichend stabil und wurden für die Wachstumsversuche verwendet. Zur effektiven Reduzierung der Sauerstoffverunreinigungen im AlN-Quellmaterial wurde ein karbothermischer Reduktionsprozess entwickelt, welcher eine Restsauerstoffkonzentration im Quellmaterial von <300 ppm gewährleistet. AlN-Keime für die Homoepitaxie von AlN-Volumenkristallen wurden durch heteroepitaktisches Wachstum auf SiC-Substraten und über spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle hergestellt. Beim heteroepitaktischen Wachstum auf SiC zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Substratpolarität. Wachstum auf C-polarem SiC ist mit geringeren Ätzgrubendichten von 5*10^4 - 10^6 cm^(-2) gegenüber Si-polarem Wachstum mit Ätzgrubensdichten von 5*10^6 - 10^7 cm^(-2) gekennzeichnet. Für beide Substratpolaritäten wurden Modelle des Anwachsstadiums entwickelt. AlN-Kristalle mit bis zu 35 mm im Durchmesser wurden gezüchtet. Die hohe Rissneigung aufgrund von Abkühlspannungen und Si-Konzentrationen von mehreren Prozent im gewachsenen AlN-Kristall vermindern aber die Kristallqualität erheblich. Eine sehr hohe kristalline Perfektion kann hingegen durch spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle auf einer Zwischenebene in der Tiegelmitte gewährleistet werden. Bei Nukleationstemperaturen von 2200 °C wurden isometrische Kristalle mit 12*12*14 mm^3 gezüchtet. Die Kristalle weisen eine zonare Struktur auf, welche durch einen in [000-1]-Richtung gewachsenen Kernbereich mit Versetzungsdichten <10^2 cm^(-2) und einem senkrecht um den Kernbereich gewachsenen Randbereich mit Versetzungsdichten von 10^2 - 10^4 cm^(-2) gekennzeichnet ist. Strukturell hochqualitative (000-1)-Keime wurden aus spontan nukleierten isometrisch gewachsenen AlN-Kristallen präpariert und für die homoepitaktische Volumenkristallzüchtung verwendet. Unter Zuhilfenahme numerischer Temperaturfeldsimulationen wurde ein angepasster Keimhalter entwickelt, welcher ein leicht konvexes Temperaturfeld am Keim gewährleistet und Parasitärwachstum unterdrückt. Somit konnten AlN-Volumenkristalle homoepitaktisch gezüchtet werden, welche eine Durchmesservergrößerung unter Beibehaltung der hohen strukturellen Qualität der Keimkristalle zeigen. Dieses Verfahren bietet die Grundlage, durch die Züchtung mehrerer Kristallgenerationen eine Durchmesseraufweitung auf industriell relevante Größen von 1-2" zu erreichen. N2 - Within the frame of the dissertation a growth process based on the PVT method was developed in order to ensure the fabrication of bulk AlN crystals with high structural quality. Essential prerequisites are a thermal and chemical stable crucible material, an AlN source material with oxygen concentrations <300 ppm and AlN seeds with high crystalline perfection. Among the tested potential crucible materials (BN, TaC, TaN, NbC, NbN, TaB2, W), only TaC and to a lesser extend W are stable under AlN growth conditions and were used in the further growth experiments. A carbothermic reduction process was developed in order to decrease the oxygen impurity content in the AlN source material effectively. The residual oxygen concentrations were <300 ppm. AlN seed crystals for the use in homoepitaxial bulk growth runs were produced by heteroepitaxial growth on SiC substrates and by spontaneously nucleated freestanding AlN crystals. The structural quality of the heteroepitaxially grown AlN templates strongly depends on the SiC polarity. The growth of C polar and Si polar SiC results in etch pit densities in the grown AlN in the range of 5*10^4 -10^6 cm^(-2) and 5*10^6 -10^7 cm^(-2), respectively. For both substrate polarities models of the initial growth stages were developed. AlN crystals with up to 35 mm in diameter were grown, but the tendency to cracking and the high Si concentrations (several percent) reduce the crystal quality. However, a very high structural perfection can be obtained by spontaneously nucleated and freestanding grown AlN crystals. At nucleation temperatures of 2200 °C isometric crystals with up to 12*12*14 mm^3 could be grown. The crystals exhibit a zonar structure which is characterized by a core area and an edge region. The core area is grown in the [000-1] direction and reveals dislocation densities <10^2 cm^(-2). The edge region is grown perpendicular to the core area. The dislocation densities are here between 10^2 and 10^4 cm^(-2). (000-1) seeds with high structural perfection were prepared from spontaneously nucleated isometric AlN crystals and used for homoepitaxial growth experiments. With support of numerical simulations of the thermal field an adapted seed holder was developed which ensure a slightly convex-shaped thermal field at the seed and suppress the parasitic growth around the grown single crystal. Thus, bulk AlN crystals could be homoepitaxially grown with smooth expansion of the crystal diameter while maintaining the high structural quality of the seed crystals. This procedure provides the basis to achieve industrial relevant sizes of 1-2" in future by subsequent homoepitaxial growth runs. KW - Transport KW - Gasphase KW - Kristallwachstum KW - Gasphasenzüchtung KW - Volumenkristallzüchtung KW - Nitrid-Halbleiter KW - Substrat KW - Vapour growth KW - Bulk growth KW - Nitride semiconductor KW - Substrate Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28992 ER - TY - THES A1 - Hempel, Maria T1 - Development of a novel diamond based detector for machine induced background and luminosity measurements T1 - Entwicklung eines neuen diamantbasierten Detektors für Messungen von maschineninduziertem Hintergrund und Luminosität N2 - The LHC is the largest particle accelerator and storage ring in the world, used to investigate fundamentals of particle physics and to develop at the same time the technology of accelerators and detectors. Four main experiments (ATLAS, ALICE, CMS and LHCb) , located around the LHC ring, provide insight into the nature of particles and search for answers to as yet unexplained phenomena in the universe. Two proton or heavy ion beams circulate in the LHC and are brought into collision in the four experiments. The physics potential of each experiment is determined by the luminosity, which is a ratio of the number of the events during a certain time period to the cross section of a physics process. A measurement of the luminosity is therefore essential to determine the cross section of interesting physics processes. In addition, safe and high-quality data-taking requires stable beam conditions with almost no beam losses. Each experiment has its own detectors to measure beam losses, hereafter called machine induced background. One such detector is installed in CMS, BCM1F. Based on diamond sensors it was designed and built to measure both, the luminosity and the machine induced background. BCM1F ran smoothly during the first LHC running period from 2009-2012 and delivered valuable beam loss and luminosity information to the control rooms of CMS and LHC. At the end of 2012 the LHC was shut down to improve the performance by increasing the proton energy to 7TeV and decreasing the proton bunch spacing to 25ns. Due to the success of BCM1F an upgrade of its sensors and readout components was planned in order to fulfil the new requirements. The upgrade of the sensors comprises a two pad instead of one pad metallization. 24 instead of the previous 8 single crystal diamond sensors were foreseen for the new BCM1F to enhance the robustness and redundancy. To instrument BCM1F, 59 sensors were electrically characterized by measuring the leakage current, signal stability and charge collection efficiency. Quality criteria were defined to select sensors for the final installation. An overview of these measurements including a summary of the results is given in this thesis. In addition, an upgraded amplifier was developed within the collaboration in 130nm CMOS technology. It has a peaking time of 7ns instead of the 22ns of the one previously installed. A BCM1F prototype comprising a two pad sensor and the upgraded amplifier was tested at the DESY-II accelerator in a 5GeV electron beam. Results of these test-beam measurements are presented in this thesis as well as simulations to interpret the measurements. The installation of the upgraded BCM1F was completed in 2014. In 2015 BCM1F was commissioned and started to measure luminosity and machine induced background. At the end, the thesis will describe both types of measurements with the focus on machine induced background demonstrating the functionality of BCM1F. N2 - Der LHC ist der größten Teilchenbeschleuniger und -speicherring der Welt. Er wurde gebaut, um Teilchenphysik bei höheren Energien zu erforschen bei gleichzeitiger Entwicklung der Beschleuniger- und Detektorphysik. Vier große Experimente (ATLAS, ALICE, CMS, LHCb) befinden sich am LHC, welche einen Einblick in die grundlegenden Strukturen des Universums und der Teilchenphysik geben. Zwei Protonen- oder Schwerionenstrahlen kreisen im LHC und werden in den vier Experimenten zur Kollision gebracht. Das Physikpotential in den jeweiligen Experimenten wird durch die Luminosität bestimmt. Die Luminosität ist das Verhältnis der Zahl der Ereignisse während einer bestimmten Zeiteinheit zum Wirkungsquerschnitt eines physikalischen Prozesses. Die Messung der Luminosität ist daher notwendig, um die Wirkungsquerschnitte interessanter Prozesse zu messen. Eine sichere und hochwertige Datennahmen benötigt stabile Strahlbedingungen, möglichst ohne Strahlverluste. Jedes Experiment hat seine Strahlverlustmonitore. Einer dieser Detektoren im CMS ist der BCM1F, welcher Diamantsensoren verwendet. BCM1F ist in der ersten LHC Laufzeit von 2009-2012 problemlos gelaufen und lieferte wertvolle Strahlverlust- und Luminositätsinformationen zum CMS- und LHC-Kontrollraum. Ende 2012 beendete der LHC seinen Betrieb für das Upgrade auf 7TeV und der Reduzierung des Abstandes der Protonenpakete 25ns. Um diese neuen Anforderungen zu erfüllen, wurde ein Upgrade der BCM1F Sensoren und Ausleseelektronik durchgeführt. Auf die Oberfläche der Sensoren wurden zwei Metallelektroden, genannt Pads, aufgebracht, um die Zählrate zu halbieren. Die Robustheit und Redundanz von BCM1F wurde gesteigert, indem die Anzahl der Sensoren von 8 auf 24 erhöht wurde. Insgesamt wurden 59 Sensoren elektrisch charakterisiert, was Messungen von Leckstrom, Signalstabilität und Ladungssammlungseffizienz beinhaltet. Qualitätskriterien für die Auswahl von Sensoren wurden definiert. Ein Überblick dieser Messungen wird mit einer Zusammenfassung der Resultate in dieser Arbeit gegeben. Zusätzlich wird ein verbesserter Verstärker in 130nm CMOS Technologie und einer Anstiegszeit der Ausgangsspannung (proportional zur Eingangsspannung) von 7ns, statt der vorherigen 22ns, zur Signalauslese verwendet. Ein BCM1F Prototyp mit Zweikanalauslese und dem verbesserten Verstärker wurde am DESY-II Beschleuniger bei einem Elektronenstrahl von 5GeV Elektronen getestet. Resultate dieses Testes werden in dieser Arbeit gezeigt und mit Simulationen verglichen. Die Installation des neuen BCM1F Systems fand 2014 statt und 2015 startete BCM1F seine Messungen der Luminosität und der Rate von Teilchen des Strahlhintergrundes, der im Beschleuniger anfällt. Am Ende wird diese Arbeit Resultate der Messungen zeigen, sich dabei aber auf den maschinen-induzierten Hintergrund konzentrieren und dabei die sichere Funktionsweise von BCM1F demonstrieren. KW - BCM1F KW - Diamond KW - Sensor KW - Beam loss KW - CMS KW - BCM1F KW - Diamant KW - Sensor KW - Stahlverlust KW - CMS KW - LHC KW - Luminosität KW - Strahlungsdetektor Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42865 ER - TY - THES A1 - Henyk, Matthias T1 - Partikelemission bei der Ablation dielektrischer Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zum Verständnis mikroskopischer Prozesse zu leisten welche an der Laser-Ablation dielektrischer Kristalle mit ultrakurzen Laserpulsen beteiligt sind. Die von den Targets emittierten elektrisch geladenen Partikel werden mit einem Flugzeitmassenspektrometer nachgewiesen, und die resultierende Morphologie der Targetoberfläche wird ex-situ mit Methoden der optischen Mikroskopie bzw. der Raster-Elektronenmikroskopie charakterisiert. Die Absorption der Laserstrahlung führt zu Multiphotonen-Ionisationsprozessen, so dass es zu einer Coulomb-Explosion der Oberfläche kommt. Bei hohen Laserintensitäten gibt es außerdem thermische Beiträge zu Ablation (Phasen-Explosion). Für die resonante Unterstützung der Photoelektronenemission sind materialabhängige Oberflächenzustände (z. Bsp. F-Zentren) wichtig. An BaF2 (111) Oberflächen wird ein „Layer-by-Layer“ Abtrag beobachtet. Die Partikelemission hinterlässt eine instabile Oberfläche, deshalb kann es im Ablationskrater zur Ausbreitung von Oberflächenwellen und der Bildung von Ripples durch selbst-organisierte Prozesse kommen. N2 - The purpose of this thesis is an improved mechanistic understanding for the phenomenon of ultra short laser pulse ablation from dielectric crystals. From the target emitted charged particles are analyzed by time-of-flight mass spectroscopy techniques and, upon laser irradiation, the resulting surface morphology is ex-situ characterized by optical and electron microscopy. The ablation is based on Coulomb explosion upon multiphoton surface ionisation and may be accompanied by thermal ablation processes (i.e. Phase-Explosion). Material dependent surface states, for example F-centres, were identified as important for a resonant enhancement of the photo­electron emission. A “layer-by-layer” material removal is observable at BaF2 (111) surfaces. The particle emission leaves behind a highly instable surface. Therefore, surface waves may spread within the crater and ripples are created by self-organized processes. KW - Ionenkristall KW - Laserablation KW - Laserimpuls KW - Femtosekundenbereich KW - Flugzeitmassenspektrometrie KW - Laser KW - Ablation KW - Dielektrisches Kristall KW - Laserpuls Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000371 ER - TY - THES A1 - Ohlerich, Martin T1 - Investigations of the physics potential and detector development for the ILC T1 - Untersuchungen zum Physikpotential und zur Detektorentwicklung für den ILC N2 - The International Linear Collider offers a lot of different interesting challenges concerning the physics of elementary particles as well as the development of accelerator and detector technologies. In this thesis, we investigate two rather separate topics - the precision measurement of the Higgs boson mass and of its coupling to the neutral gauge boson Z and the research and development of sensors for BeamCal, which is a sub-detector system of the ILC detector. After the Higgs boson has been found, it is important to determine its properties with high precision. We employ the Higgs-strahlung process for this purpose. A virtual Z boson is created in the electron-positron collisions, which emits a Higgs-boson while becoming on-shell. Using the so-called recoil technique, we determine the Higgs boson mass by reconstructing the Z boson momentum and using the center-of-mass energy of the colliding leptons. This technique allows to measure the Higgs boson mass without considering the Higgs boson decay, i.e. it can be applied even to a Higgs boson invisibly decaying. Monte-Carlo studies including a full detector simulation and a full event reconstruction were performed to simulate the impact of a realistic detector model on the precision of the Higgs boson mass and production cross-section measurement. Also, an analytical estimate of the influence of a given detector performance on the Higgs boson mass measurement uncertainty is given. We included a complete sample of background events predicted by the Standard Model, which may have a detector response similar to the signal events. A probabilistic method is used for the signal-background separation. Several other probabilistic methods were used to investigate and improve the measurement of the Higgs-strahlung cross-section and the Higgs boson mass from the recoil mass spectrum obtained after the signal-background separation. For a Higgs boson mass of 120 GeV, a center-of-mass energy of 250 GeV and an integrated luminosity of 50/fb, a relative uncertainty of 10% is obtained for the cross-section measurement, and a precision of 118 MeV for the Higgs boson mass. The original motivation to use the recoil technique for a Higgs boson mass measurement independent on its decay modes could not be completely confirmed. For a Higgs boson mass of 180 GeV and 350 GeV, a statistics corresponding to 50/fb is not sufficient to achieve the necessary significance of the recoil mass peak above the background. The BeamCal is a calorimeter in the very forward region, about 3 m away from the nominal interaction point and surrounding the beam pipe. Due to its location, a lot of beamstrahlung pair particles will hit this calorimeter, representing a challenge for the operational reliability of the sensors under such harsh radiation conditions. We investigated single-crystal and polycrystalline CVD diamond, gallium arsenide and radiation-hard silicon as sensor candidates for their radiation hardness and found that diamond and gallium arsenide are promising. We used a 10 MeV electron beam of few nA to irradiate the samples under investigation up to doses of 5 MGy for diamond, up to about 1.5 MGy for gallium arsenide and up to about 90 kGy for silicon. We measured in regular periods the CCD to characterize the impact of the absorbed dose on the size of the signal, which is generated by electrons of a Sr-90 source crossing the sensor. Additional measurements such as the dark current and the CCD as functions of the voltage completed the characterization of the sensor candidates. For the single-crystal CVD diamond, also the thermally stimulated current was measured to determine amongst others the defect density created by irradiation. In the diamond samples, evidence for strong polarization effects inside the material was found and investigated in more detail. A phenomenological model based on semi-conductor physics was developed to describe the sensor properties as a function of the applied electric field, the dose and the dose rate. Its predictions were compared with the results of the measurements. Several parameters such as time scales and cross-sections were determined using this model, which led to ongoing investigations. N2 - Der Internationale Linear Collider (ILC) bietet eine Vielfalt an interessanten Herausforderungen für die Elementarteilchenphysik, die Beschleuniger- und die Detektortechnologie. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir je ein Kernthema aus der Physik und der Detektortechnologie - zum einen die Präzisionsmessung der Higgs-Bosonenmasse und der Kopplung des Higgs-Bosons an das neutrale schwere Eichboson, Z, und zum anderen die Untersuchung und Entwicklung von Sensoren für BeamCal, einem Teildetektorsystem des ILC-Detektors. Das Higgs-Boson ist ein bisher nicht entdecktes fundamentales Teilchen, welches vom elektroschwachen Standardmodell vorhergesagt wird. Sehr wahrscheinlich wird es am LHC gefunden. Danach ist es wichtig, seine Eigenschaften mit hoher Präzision zu bestimmen. Wir benutzen dafür den Higgs-Strahlungsprozess. Ein virtuelles Z-Boson wird in einer Elektron-Positron-Kollision erzeugt, welches ein Higgs-Boson emittiert und dabei auf die Massenschale übergeht. Mit Hilfe der sogenannten Rückstosstechnik bestimmen wir die Higgs-Bosonmasse durch Rekonstruktion des Impules des Z-Bosons und mittels der Schwerpunktsenergie der kollidierenden Leptonen. Diese Technik erlaubt es, die Higgs-Bosonmasse und die Kopplung an das Z-Boson zu messen ohne die Higgs-Zerfallsmoden zu betrachten, d.h. sie kann auch angewendet werden, wenn das Higgs-Boson in nicht detektierbare Teilchen zerfällt. Monte-Carlo Studien, die eine volle Detektorsimulation und eine volle Ereignisrekonstruktion enthalten, wurden durchgeführt, um den Einfluss eines realistischen Detektormodells auf die Präzision der Messgrößen abzuschätzen. Dazu wird analytisch sowie numerisch die Auswirkung der Impulsmessungspräzision auf die Messung der Higgs-Bosonmasse bestimmt. Wir fügten eine vollständige Menge an Hintergrundereignissen hinzu, wie sie vom Standardmodell vorausgesagt werden und welche eine Signatur im Detektor aufweisen, die der der Signalereignisse sehr ähnlich ist. Für die Unterscheidung von Signal- und Hintergrundereignissen wurde eine wahrscheinlichkeitsbasierte Methode benutzt. Weitere wahrscheinlichkeitstheoretische Methoden wurden verwendet, um die Messung des Higgs-Strahlungsprozesses und der Higgs-Bosonmasse aus dem Rückstossmassenspektrum nach der Signal-Hintergrund-Trennung zu untersuchen und zu verbessern. Für eine Higgs-Bosonmasse von 120 GeV, eine Schwerpunktenergie von 250 GeV und eine integrierte Luminosität von 50/fb wurde eine relative Unsicherheit von 10% für die Streuqueschnittmessung und eine Unsicherheit von 118 MeV für die Messung der Higgs-Bosonmasse erhalten. Die ursprüngliche Motivation für die Verwendung der Rückstosstechnik war die Bestimmung der Higgs-Bosonmasse unabhängig von seinen Zerfallskanälen. Diese Unabhängigkeit kann nicht vollständig bestätigt werden. Für eine Higgs-Bosonmasse von 180 GeV und für 350 GeV ist die notwendige Anzahl von Ereignissen bei 50/fb nicht ausreichend, um ein signifikantes Signal über dem Hintergrund zu erhalten. Das BeamCal ist ein Kalorimeter in der Vorwärtsregion des ILC-Detektors, etwa 3 m vom nominalen Wechselwirkungspunkt entfernt, und umgibt das Strahlrohr. Durch seine Position wird es einer großen Anzahl von Elektron-Positron-Paaren aus der Beamstrahlung ausgesetzt sein, was eine enorme Herausforderung f\"ur die Funktionstüchtigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren bei exterm hoher Strahlendosis bzw. -dosisrate darstellt. Wir untersuchten ein- und polykristalline CVD Diamant-, Galliumarsenid- und strahlenharte Siliziumsensormatrialen auf ihre Strahlenhärte und fanden vielversprechende Ergebnisse für Diamant und Galliumarsenid. Wir benutzten einen 10 MeV Elektronenstrahl von einigen nA, um die zu untersuchenden Sensorproben bis zu Dosen von 5 MGy für Diamant, bis etwa 1,5 MGy für Galliumarsenid und bis zu 90 kGy für Silizium zu bestrahlen. In regelmäßigen Abständen wurde die CCD mit relativistischen Elektronen aus einer Sr-90-Quelle gemessen, um den Einfluss der vom Sensor absorbierten Dosis auf die Größe des MIP-Signals zu bestimmen. Zusätzliche Messungen u.a. des Dunkelstromes und der CCD als Funktionen der angelegten Spannung vervollständigen die Charakterisierung der Sensormaterialkandidaten. Für den einkristallinen CVD Diamanten wurde auch der thermisch stimulierte Strom gemessen zur Bestimmung u.a. der Dichte der Defekte, die durch die Bestrahlung erzeugt wurden. Es wurden Hinweise auf starke Polarisationseffekte in den Diamantproben gefunden und detailierter untersucht. Um die Sensoreigenschaften als Funktion des angelegten elektrischen Feldes, der Dosis und der Dosisrate zu beschreiben, wurde ein phänomenologisches Modell entwickelt. Die Voraussagen dieses Modells wurden mit den Ergebnissen der Messungen verglichen und mehrere Parameter wie etwa Zeitkonstanten und Streuquerschnitte wurden mit Hilfe dieses Modells bestimmt. Das durch dieses Modell gewonnene Verständnis induzierte weiterführende Untersuchungen. KW - Detektor KW - Speicherring KW - Higgs-Teilchen KW - Higgs-Bosonmasse KW - Detektor KW - Detektorentwicklung KW - ILC KW - Higgs boson mass KW - Detector development KW - ILC Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14409 ER - TY - THES A1 - Reichmann, Felix T1 - Germanium, Zinn und (Zink-) Galliumoxid für fortschrittliche Mikro- und Optoelektronik : Einblicke in die elektronische Struktur der Oberfläche mit Photoemissionstechniken T1 - Germanium, tin and (zinc) gallium oxide for advanced micro- and optoelectronics : insights into the surface electronic structure with photoemission techniques N2 - Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga₂O₃ a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga₂O₃ and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga₂O₃ be ZnGa₂O₄ and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa₂O₄ single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure. N2 - Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga₂O₃ ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ-Ga₂O₃ und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga₂O₃ könnte ZnGa₂O₄ sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa₂O₄-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche. KW - Angle-resolved photoemission spectroscopy KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Germanium-tin KW - Zinc gallium oxide KW - Surface science KW - ARPES KW - Gallium-Zink-Oxid KW - XPS KW - Halbleiteroberfläche KW - Bandstruktur KW - Elektronenstruktur KW - Germaniumverbindungen KW - Galliumverbindungen KW - ARPES KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62080 ER - TY - THES A1 - Fahr, Martin T1 - Parasitäre Wärmeflüsse und Verunreinigungen in Reinstmetall-Fixpunktzellen der Internationalen Temperaturskala T1 - Parasitic heat flows and impurities in ultra-pure-metal fixed-point cells of the international temperature scale N2 - Die internationale Temperaturskala von 1990 wird im Bereich von -38,8344°C bis 961,78°C neben dem Wasser- und dem Quecksilber-Tripelpunkt durch Schmelz- und Erstarrungstemperaturen von Reinstmetallen definiert. Die Unsicherheiten bei der Darstellung und Weitergabe der Basiseinheit Kelvin des Internationalen Einheitensystems in diesem Bereich (und somit auch der Einheit Grad Celsius und aller abgeleiteten Einheiten) werden dominiert von den Unsicherheiten der Realisierung dieser Fixpunkte und diese wiederum von einem Beitrag, der vom Einfluss in den Metallen gelöster Verunreinigungen herrührt und bis jetzt nur pauschal abgeschätzt wurde. Zwar wird versucht, noch reineres Fixpunktmetall zu verwenden, aber wesentliche Verbesserungen bezüglich der Reproduzierbarkeit der Fixpunkttemperaturen können nur durch eine Korrektion dieser Beiträge erreicht werden. Voraussetzungen für diese Korrektion sind nicht nur eine chemische Spurenanalyse der Fixpunktmetalle mit Unsicherheiten und Detektionsgrenzen am aktuellen technischen Limit, sondern auch die Kenntnis der Auswirkungen jeder einzelnen Verunreinigung auf die Fixpunkttemperatur. Diese Abhängigkeit der Phasenübergangstemperatur von der Konzentration der jeweiligen Verunreinigung wird auf Grund fehlender Kenntnisse im Bereich kleinster Konzentrationen von 10^-9 bis 10^-5 (mol/mol) experimentell durch gezielte Dotierung der Fixpunktmetalle bestimmt. Um die dargestellten Probleme grundlegend zu lösen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei verschiedene Fixpunktzelldesigns entwickelt. Beide erlauben eine Messung und Kontrolle des Drucks der Gasatmosphäre und sind außerdem wiederverschließbar, wodurch sie eine chemische Analyse des Fixpunktmaterials ermöglichen, das sich in der Zusammensetzung wesentlich von dem unterscheiden kann, mit dem die Zelle befüllt worden ist. Während der eine Zelltyp für Kalibrierzwecke konstruiert worden ist und den herkömmlichen Zellen ähnelt, wurde der zweite Typ auf die Verwendung von deutlich weniger Fixpunktmetall hin optimiert, so dass er sich unter anderem gut für die erwähnten Dotierungsexperimente eignet. Zunächst allerdings bringen die Veränderungen im Design gegenüber den üblichen Fixpunktzellen unvermeidlich eine Vergrößerung unerwünschter parasitärer Wärmeflüsse mit sich, welche als sogenannte thermische Effekte die gemessene Fixpunkttemperatur verfälschen. Diese fallen bei der angestrebten Verwendung von höchstreinem Fixpunktmetall relativ zu den anderen Einflussgrößen umso mehr ins Gewicht, deswegen wurde ihre Untersuchung zu einem weiteren Schwerpunkt der Arbeit. Dabei konnte ein Verfahren zur Quantifizierung und Korrektion und ein besseres Verständnis dieser Effekte entwickelt werden, welche für Metallfixpunktzellen jeder Bauart nützlich sind. Im Ergebnis liegen die Unsicherheiten bei den Messungen mit den verkleinerten Zellen unverändert im Bereich weniger hundert Mikrokelvin. Die Zellen eignen sich daher sehr gut, die Beeinflussung der Phasenübergangstemperatur der Metallfixpunkte durch die Dotierung mit anderen Elementen im Konzentrationsbereich von 10^-7 bis 10^-5 zu bestimmen. Bevor dies abschließend auch experimentell mit Untersuchungen an ausgewählten binären Systemen gezeigt wird, werden thermodynamische Berechnungen dargestellt, die erstmals eine Vielzahl von möglichen Verunreinigungen in den Fixpunktzellen ausschließen, so dass sich nicht nur die Anzahl zu untersuchender möglicher Verunreinigungen in den Fixpunkten erheblich reduziert, sondern auch die Anzahl zu berücksichtigender Beiträge bei der angestrebten Korrektion der Fixpunkttemperaturen. Alles in allem steht nun eine Methodik zur Verfügung, die Unsicherheit bei der Darstellung der internationalen Temperaturskala im industriell besonders wichtigen Bereich von -40°C bis 1000°C mindestens um den Faktor 3 zu reduzieren. N2 - The international temperature scale of 1990 in the range between -38.8344°C and 961.78°C is defined using the triple points of mercury and water and the melting and freezing temperatures of ultra-pure metals. The uncertainties of the realisation and dissemination of the base unit kelvin of the international system of units in this range (and thus also of the degree Celsius and all derived units) are dominated by the uncertainties of the realisation of the metal fixed-points. These uncertainties again, depend mostly on the amount of soluted impurities whose influence cannot be accounted for, but has been only estimated so far. Although purer fixed-point metal could reduce the contribution to the uncertainty budget, considerable reductions require a correction of the influence of the impurities. To do this, not only a very sophisticated chemical analysis of the fixed-point metal is necessary, but also detailed knowledge about the dependency of the fixed-point temperature of any soluted impurity in the fixed-point metal. As the knowledge of this dependence in the concentration range between 10^-9 and 10^-5 (mol/mol) is not sufficient, it has to be determined experimentally by doping fixed-points. To overcome all these problems, during the course of this work, two fixed-point cell designs were developed. Both of them allow to measure and control the gas pressure. Furthermore, they are resealable and by this means samples for a chemical analysis can be extracted, which is necessary for the mentioned correction because the composition of the fixed-point is very likely to change after the filling process of the cell. One of these two types of fixed-point cells is designed to suit the needs of a calibration process and is quite similar to standard cells. The other type is optimized for the doping experiments and uses much less fixed-point metal. In the first instance, the design changes are the reason for considerable increases of undesirable parasitic heat flows, raising deviations between the measured temperature of the fixed-point and that of the phase interface. As this is especially important when metals of the highest purity are used, investigations of these so-called thermal effects became a further main topic of this work. Consequently, a method to quantify and correct these effects was developed and can be used for any metal fixed-point cell. As a result, the uncertainty contribution of both cell types is as small as a few hundred microkelvin. Apparently the down-sized cells are very well suited to measure the changes of the fixed-point temperature when the cell is doped in the concentration range of 10^-7 to 10^-5. The results of investigations of some chosen binary systems are presented in this work. But before that, thermodynamical calculations will show that a couple of elements cannot be soluted impurities in metal fixed-point cells. Thereby the number of necessary doping experiments is reduced as well as the number of contributions to the targeted correction of the fixed-point temperature. To sum up, there is now a methodology to reduce the uncertainty of the international temperature scale in the most important range between -40°C and 1000°C by a factor of at least 3. KW - Metall KW - Verunreinigung KW - Wärmestrom KW - Internationale Temperaturskala KW - Temperaturfixpunkte KW - ITS-90 KW - Verunreinigungen in ultrahochreinen Metallen KW - Thermische Effekte KW - Strahlungstransport KW - Temperature fixed-points KW - ITS-90 KW - Impurities in ultra-pure metals KW - Thermal effects KW - Radiation transport Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4639 ER - TY - THES A1 - Lublow, Michael T1 - Surface analytical characterization of horizontal and vertical nanotopographies at the silicon/silicon oxide/electrolyte phase boundaries T1 - Oberflächenanalytische Charakterisierung Horizontaler und Vertikaler Nanotopographien an der Silicium/Siliciumoxid/Elektrolyt Phasengrenzfläche N2 - Nanotopography development induced by photoelectrochemical in situ conditioning of silicon is followed using a combination of surface sensitive analysis techniques. In an etching study, vertical nanostructure analysis reveals a buried stressed layer within silicon, identified by Brewster-angle analysis (BAA). In conjunction with in system synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES), a superior quality hydrogen terminated Si(111) surface could be prepared by obliteration of the intermediate stressed layer. Using a novel photoelectrochemical structure formation method, a variety of vertical nanotopographies has been generated and analyzed by in situ Brewster-angle reflectometry (BAR) and scanning probe microscopy (SPM). Shaping of the nanostructures became possible by real-time monitoring using BAR. Appearances range from aligned single nanoislands with improved aspect ratio to connected Si nano-networks. A model was developed to describe the nanostructure formation based on stress-induced selective oxidation. Increased local photo-oxidation is found to result in the formation of extended horizontal micro- and nanostructures with fractal properties. Within a defined light intensity range, the structures reveal the azimuthal symmetry of the investigated crystal planes (111), (100), (110) and (113). The observed features could be reproduced using a model that is based on the interplay of stress in silicon, oxidation by light generated excess holes and locally increased etching in fluoride containing solution. N2 - Die durch photoelektrochemische in situ Verfahren induzierte Nanostrukturbildung auf Silicium wird durch eine Kombination oberflächenempfindlicher Methoden untersucht. Durch schrittweise Abtragung eines Oberflächenoxids und durch die Analyse vertikaler Nanostrukturen wird eine verborgene Streßschicht mit Hilfe der Brewster-Winkel Analyse ermittelt. In Verbindung mit Synchrotron-Photoelektronenspektroskopie kann eine optimierte H-Terminierung von Si(111)-Oberflächen nach Entfernen des gestreßten Bereiches erzielt werden. Durch Anwendung einer neuartigen photoelektrochemischen Methode wurde eine Vielzahl vertikaler Nanostrukturen erzeugt, deren Morphologie Aspekt-optimierte nanoskopische Inseln sowie Nanostruktur-Netzwerke umfaßt. In Modellbetrachtungen wird eine streß-induzierte selektive Oxidation als Bildungsmechanismus vorgeschlagen. Verstärkte lokale Photooxidation wiederum führt zur Bildung ausgebreiteter Mikro- und Nanostrukturen, die in einem mittleren Bereich der Lichtintensität die azimutale Symmetrie der jeweiligen (111), (100), (110) und (113) Kristallorientierungen widerspiegeln. Modellhafte Simulationen basieren auf der Wechselwirkung von Streß im Siliciumkristall, lichtgenerierter Oxidation und erhöhter lokaler Materialabtragung in konzentrierter Ammoniumfluoridlösung. KW - Siliciumdioxid KW - Oberflächenanalyse KW - Silicium KW - Oberflächenanalyse KW - Selbstorganisierte elektrochemische Systeme KW - Optik KW - Silicon KW - Surface analysis KW - Self-organized electrochemical systems KW - Optics Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14390 ER - TY - THES A1 - Perez-Bosch Quesada, Emilio T1 - In-depth electrical characterization of HfO₂-based memristive devices for their integration in CMOS-compatible neuromorphic systems T1 - Elektrische Charakterisierung von HfO₂-basierten memristiven Bauelementen zur Integration in CMOS-kompatible neuromorphe Systeme N2 - The rapid development of information and communication technologies is reaching critical limits that might compromise the global digitalization progress, one of the main economy pillars nowadays. Among others, limits like the end of Moore’s law, derived from miniaturization issues in nano-scale devices; the need for massive data processing parallelization due to the ever-increasing amount of data generated in every single aspect of our daily routine; and the acute increase of the annual electricity consumption in data center due to energy inefficiency in their computational architectures. Therefore, the need for partial or complete migration of current computing paradigms towards more sustainable ones is of paramount importance to bypass these limits. Neuromorphic computing systems inspired by the neural and synaptic activity of the human brain irrupted as an innovative alternative to merge memory and computing units, traditionally separated following the von Neumann architecture. Emerging non-volatile memory technologies, specifically the Resistive Random Access Memory (RRAM) technology, are playing important roles in the development of new computing paradigms due to their outstanding properties, namely, fast switching, high scalability, long state retention and their multilevel-cell capabilities, among others. The later stands out as a key feature to increase memory densities at lower area cost and it lately gathered special interest concerning neuromorphic applications. Due to the uncertainty surrounding the stochastic processes governing the resistive switching of the RRAM technology, here is still scarce number of real RRAM-based hardware implementations. In this work, motivated by the impact of the inherent stochasticity of the RRAM technology on neuromorphic systems’ performance, a thorough wafer-scale electrical characterization is carried out over HfO2-based RRAM devices to study their quasistatic response. Their non-idealities are identified, in a way that they could be modelled and potentially mitigated to enhance the memristive devices stability and thus, their performance carrying out multiply-accumulate (MAC) tasks, fundamental operations for the implementation of artificial intelligence (AI) applications. This characterization supports the adaptation of three physics-based compact models and an empirical study of vector-matrix multiplication (VMM) operations performed using real RRAM devices for neuromorphic applications. The impact of the devices’ non-idealities on the final operation results is assessed along consecutive VMMs. This work sets the baseline of the quasistatic characterization of IHP’s RRAM devices and opens the way towards real ardware neuromorphic systems with such technology. N2 - Durch die immer schnelle voranschreitende Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnologien werden kritische Grenzen erreicht, die dem globalen Digitalisierungsprozess im Wege stehen. Eine dieser Grenzen ist das Mooresche Gesetz, welches den Skalierungsprozess von integrierten Schaltkreisen beschreibt. Außerdem steigt der Bedarf der Informationsverarbeitung von digitalen Daten und damit dem globalen Energieverbrauch stetig an. Deshalb müssen herkömmliche Rechnerstrukturen durch neue nachhaltigere Konzepte, welche energiesparender arbeiten sollen, ersetzt werden. In klassischen von-Neumann Computern sind das Speicher- und Rechenwerk voneinander getrennt. Eine Möglichkeit, die angesprochenen Grenzen zu überwinden, sind neuromorphe Rechner, welche von neuronalen Strukturen inspiriert sind, in denen speichernde Bauelemente gleichzeitig einen Teil der Rechnung Übernehmen (In-Memory Computing). Eine dafür geeignete Technologie ist RRAM (Resistive Random Access Memory), dank deren Eigenschaften wie: Nichtflüchtigkeit, gute Skalierbarkeit, schnelles Schaltverhalten, lange Rentention-Zeiten und der Speichermöglichkeit mehrerer Bits pro Zelle. Gerade die zuletzt genannte Eigenschaft ist wichtig, um kompakte In-Memory Computing Einheiten für neuromorphe Anwendungen zu entwickeln. Des Weiteren können RRAM-Speicherzellen zusammen mit Transistoren in integrierten Schaltkreisen gefertigt werden. Auf Grund verschiedener Nicht-Idealitäten der RRAM-Bauelemente gibt es bis zum heutigen Zeitpunkt nur wenige neuromorphe RRAM-Systeme. In dieser Arbeit wird eine umfängliche On-Wafer Untersuchung zum statischen Verhalten von integrierten HfO2-basierten RRAM-Bauelementen durchgeführt. Die angesprochenen Nicht-Idealitäten werden auf Grundlage der Messwerte quantisiert und Empfehlungen, wie dieses stochastische Verhalten für Anwendungen der künstlichen Intelligenz genutzt werden können gegeben. Diese Charakterisierung hilft bei der Adapation von drei physikalischen RRAM-Modellen. Ausgehend von den Messungen wird der Einsatz von RRAMs für die Berechnung von Vektor-Matrix Multipliationen (VMMs) überprüft. Diese mathematische Operation ist in neuromorphen Anwendungen allgegenwärtig. Es wird weiterhin untersucht, wie die Nicht-Idealitäten der RRAMs sich auf das Rechenergebnis auswirkt. Diese Arbeit legt durch die Charakterisierung von IHP‘s RRAM-Technologie den Grundstein für energieeffiziente neuromorphe Hardware-Beschleuniger mit eben dieser Technologie. KW - Vector-matrix multiplications, KW - Neuromorphic computing KW - RRAM KW - Non-volatile KW - Vektor-Matrix-Multiplikationen KW - RRAM KW - Neuromorphes Rechnen KW - Neuromorphing KW - Neuronales Netz KW - Resistive RAM Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67815 ER - TY - THES A1 - Becker, Lucas T1 - The influence of the early relaxation phase on the threading dislocation density in strain relaxed Si₁₋ₓGeₓ buffer layers on Si(001) substrates T1 - Der Einfluss der frühen Relaxationsphase auf die Durchstoßversetzungsdichte in Spannungs-relaxierten Si₁₋ₓGeₓ Pufferschichten auf Si(001) Substraten N2 - The integration of germanium (Ge) on silicon (Si) for microelectronics applications requires strain-relaxed SiGe buffer layers (SRB) as virtual substrates. However, the presence of threading dislocations in these layers remains a challenge, as they can affect device performance. Existing methods achieve threading dislocation densities (TDD) around 1 x 10⁵ cm⁻², but a further reduction is desired for industrial applications. A SiGe backside deposition technique originally intended to compensate for wafer bowing surprisingly improves the TDD. The underlying physics remained poorly understood until now. In this work it is shown, that the SiGe backside deposition leads to a parasitic SiGe layer at the edge of the wafer. Partial relaxation of this layer generates dislocations, which fundamentally change the relaxation mechanism of subsequently deposited SiGe layers on the front side. These preexisting dislocations glide from the edge to the center of the wafer, preventing the formation of dislocation bundles and pile-ups. As a result, the TDD decreases significantly for layers with low Ge content. Adjusting the growth conditions and dislocation glide kinetics optimizes early relaxation, achieving a TDD reduction to 4x10⁴ cm⁻² for 25% Ge buffer layers. Additionally, a novel ring deposition technique provides controlled preexisting dislocations at the wafer’s edge, offering better control over the dislocation reservoir than uncontrolled parasitic deposition. Although initial results show promising results, further optimization is needed due to localized mechanical damage during processing. In summary, this research provides insights into strained SiGe layer relaxation, dislocation physics, and their impact on the TDD. By understanding these mechanisms, an enhancement of established buffer approach can be achieved and novel strategies for further TDD reduction can be developed. N2 - Die Integration von Germanium (Ge) auf Silizium (Si) für mikroelektronische Anwendungen erfordert spannungs-relaxierte SiGe-Pufferschichten als virtuelle Substrate. Allerdings stellen Durchstoßversetzungen in diesen Schichten eine Herausforderung dar, da sie die Leistung von Bauelementen beeinträchtigen können. Bestehende Methoden zur Versetzungsreduktion erreichen Versetzungsdichten (TDD) von etwa 1 x 10⁵ cm⁻², aber eine weitere Reduzierung ist für die industrielle Anwendung wünschenswert. Ein Verfahren zur SiGe-Rückseitenabscheidung, das ursprünglich die Waferverbiegung kompensieren sollte, verbessert überraschenderweise die TDD. Die zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge waren bisher nur unzureichend bekannt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die SiGe-Rückseitenabscheidung zu einer parasitären SiGe Schicht am Rande des Wafers führt. Die partielle Relaxation dieser Schicht erzeugt Versetzungen, die den Relaxationsmechanismus der nachfolgend auf der Vorderseite abgeschiedenen SiGe-Schichten grundlegend verändern. Diese bereits vorhandenen Versetzungen gleiten vom Rand des Wafers zum Zentrum, wodurch Versetzungsbündel und lokale Anhäufungen verhindert werden. Infolgedessen kann die Versetzungsdichte bei Schichten mit geringem Ge-Gehalt deutlich reduziert werden. Durch Anpassung der Wachstumsbedingungen und der Kinetik des Versetzungsgleitens kann die frühe Relaxationsphase optimiert werden und somit eine Reduzierung der TDD auf 4x10⁴ cm⁻² für 25% Ge-Pufferschichten erreicht werden. Darüber hinaus wurde eine neuartige Ringdepositionstechnik entwickelt, um für mehr Kontrolle über die Versetzungen am Rande des Wafers zu sorgen als unkontrollierte parasitären Abscheidung. Obwohl erste Ergebnisse vielversprechend sind, ist eine weitere Optimierung aufgrund lokaler mechanischer Schäden während der Verarbeitung notwendig. Zusammenfassend liefert diese Arbeit Einblicke in die Relaxation von verspannten SiGe-Schichten, Versetzungsphysik und deren Auswirkungen auf die TDD. Durch das Verständnis dieser Mechanismen kann der etablierte Pufferansatz verbessert und neue Strategien zur weiteren TDD-Reduzierung entwickelt werden. KW - Silicon KW - Germanium KW - Epitaxy KW - Dislocation KW - Wafer KW - Silizium KW - Epitaxie KW - Versetzungen KW - Wafer KW - Wafer KW - Silicium KW - Epitaxie KW - Versetzung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67431 ER - TY - THES A1 - Yang, Penghui T1 - Impact of alkali treatments on the surface and interface properties of Chalcopyrite thin-film solar cell absorbers T1 - Der Einfluss von Alkalibehandlungen auf die Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von Chalkopyrit-Dünnschicht-Solarzellabsorbern N2 - This thesis focuses on the investigation and characterization of the surfaces and interfaces of chalcopyrite-based Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin film solar cells using various x-ray and electron spectroscopies. In particular, the impact of alkali post deposition treatments (PDT) on the chemical and electronic surface and interface structure of CdS/CIGSe absorbers is studied. The structure of “real world” CdS/CIGSe interfaces and how they are impacted by different alkali PDTs was investigated by a combination of different x-ray spectroscopies. The interface formation is characterized by studying sample sets with different CdS thicknesses. The chemical environment for indium and cadmium is revealed by deriving the modified Auger parameter α'(In) and α'(Cd) using the kinetic energy of most prominent Auger line together with the binding energy of the chosen core level. A more complex situation is found for CdS/CIGSe samples that underwent NaF+KF PDT, where a K-In-Se compound is initially present on top of the chalcopyrite absorber. The conversion of the K-In-Se type species into a Cd-In-(O,OH,S,Se) interface compound is recorded at short CBD-CdS deposition times. It appears the majority of K that is present at the surface of the NaF+KF PDT CIGSe absorber is dissolved in the CBD and partially re-deposited as K-O type species. The Cd/S ratio clearly deviates from the stoichiometry expected for CdS, and a Cd(O,OH,S)-like compound is likely formed. The electronic structure of CdS/CIGSe interface is similarly more complex for the NaF+KF PDT compared to the NaF PDT case, where only Cd(O,OH,S) buffer was formed. In an attempt to shed more light into this complex situation, the impact of evaporated alkali metals (K, Rb, Cs) on the surface structure of CIGSe was studied in-system by synchrotron-based hard x- ray photoelectron spectroscopy (HAXPES), aiming at understanding the underlying mechanism of the interfacial effect of alkalis on the performance of CIGSe devices. In the case of K deposition, two K species are observed by x-ray absorption near-edge structure (XANES) and HAXPES, one of which species disappears at high annealing temperature. Furthermore, three new In contributions (In-O and K-In-Se, metallic In species) can be observed after K evaporation. The evolution of chemical contribution supports the formation of a K-In-Se and Cu-poor CIGSe (1:3:5) bilayer structure that is similar to what was reported for “real world” NaF+KF PDTs. Deposition of heavy alkali metals (Rb, Cs) induced the formation of alkali selenide phases after alkali evaporation and during low temperature annealing. Similar chemical changes as seen for the K composition (i.e. presence of metallic In, In-O, and alkali-O) are observed. However, detailed analysis of the Alk/Se ratio and composition provide direct evidence for the formation of a Alk-(In)-Se and (Cu,Alk)(In, Ga)Se2 bilayer. The insights from these studies promise to provide crucial aid to fully exploit alkali pre-treatments in scientific and industrial CIGSe production, and will deliberate use of this means of surface/interface tailoring to push efficiencies even further. N2 - Diese Dissertation konzentriert sich auf die Untersuchung und Charakterisierung der Ober- und Grenzflächen in Chalkopyrit-basierten Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschicht-Solarzellen mit verschiedenen Röntgen- und Elektronenspektroskopien. Insbesondere werden die Auswirkungen von Alkali-Nachbehandlungen (post deposition treatments, PDT) auf die chemischen und elektronischen Oberflächen- und Grenzflächenstrukturen in CdS/CIGSe Schichtstapeln untersucht. Die Eigenschaften von “realen” CdS/CIGSe Grenzflächen und wie verschiedene Alkali-PDTs diese beeinflussen, wurde durch eine Kombination verschiedener Röntgenspektroskopien untersucht. Die Ausbildung der Grenzfläche wurde mittels einer CdS-Dickenserie untersucht. Die chemische Umgebung von Indium und Cadmium wurde durch die Betrachtung der modifizierten Auger-Parameter α'(In) und α'(Cd) identifiziert. Für CdS/CIGSe-Proben bei denen der CIGSe Absorber vor der CdS Abscheidung einer NaF+KF PDT unterzogen wurde finden wir eine komplizierte Grenzflächenstruktur. Die K-In-Se-Verbindung die sich durch das PDT zunächst auf dem Chalkopyritabsorber ausbildet wandelt sich in der Anfangsphase der CdS Abscheidung im chemischen Bad in eine Cd-In-(O,OH,S,Se) Grenzflächenverbindung um. Zudem scheint es, dass die Mehrheit des vorhandenen Kalium, sich im chemischen Bad löst und teilweise als K-O Verbindung wieder auf dem CIGSe Absorber abgelagert wird. Das Cd/S Verhältnis weicht deutlich von der für CdS erwarteten Stoichiometrie ab, und es bildet sich wahrscheinlich eine Cd(O,OH,S) ähnliche Verbindung für lange Abscheidezeiten aus. Die elektronische Struktur der CdS/CIGSe Grenzfläche ist für den NaF+KF PDT Fall ähnlich komplexer als im NaF PDT-Fall, wo wir quasi eine abrupte Grenzfläche zwischen Absorber und Cd(O,OH,S) Puffer finden. Um mehr Licht in diese komplexe Situation zu bringen, wurden entsprechende Modellsystem unterscucht. Hierfür wurden die Alkalimetalle (K, Rb, Cs) direkt auf die Oberflächenstruktur von CIGSe aufgedampft und im gleichen Vakuumsystem mittels synchrotron-basierter Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (HAXPES) untersucht. Nach der Abscheidung von Kalium konnten wir zwei K Spezies identifizieren, von denen eine bei hohen Temperaturen thermischer Nachbehandlung verschwindet. Darüber hinaus können drei neue In-Verbindungen (In-O und K-In-Se, metallisches In) nach der Abscheidung von K beobachtet werden. Die Entwicklung der chemischen Struktur mit höher werdenden Temperaturen während der thermischen Nachbehandlung unterstützt das Bild einer K-In-Se/Cu-arme CIGSe (1:3:5) Doppelschicht-Struktur – ist also ganz ähnlich was für “reale” NaF+KF PDT CIGSe Proben berichtet wird. Die Abscheidung von schweren Alkalimetallen (Rb, Cs) induziert die Bildung von Alkaliselenidphasen. Ähnliche chemische Veränderungen wie im K-Experiment (d.h. Vorhandensein von metallischem In, In-O und Alkali-O) werden auch hier beobachtet. Eine detaillierte Analyse des Alk/Se-Verhältnisses und der Zusammensetzung liefert jedoch direkte Beweise für die Bildung einer Alk-(In)-Se/(Cu,Alk)(In, Ga)Se2 Doppelschicht. Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit können dazu beitragen, Alkali-Vorbehandlungen auch in der industriellen CIGSe-Produktion einzusetzen und voll auszuschöpfen. Ein bewusstes Nutzen der identifizierten Oberflächen-/Grenzflächenanpassung könnte die Wirkungsgrade entsprechender Solarzellen sogar noch steigern. KW - Alkali PDT KW - Surface KW - Interface KW - Grenzflächen KW - Alkali-Nachbehandlungen KW - Oberflächen KW - CIGSe KW - Solarzelle KW - Oberfläche KW - Alkalien KW - Grenzfläche Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51772 ER - TY - THES A1 - Schlykow, Viktoria Diana T1 - Selective growth and characterization of GeSn nanostructures on patterned Si wafers T1 - Selektives Wachstum und Charakterisierung von GeSn Nanostrukturen auf strukturierten Si Wafern N2 - Over the past seven decades Si microelectronics have developed rapidly. The success of the growing microelectronic industry is also caused by the expansion of materials in addition to Si. Open challenges are the monolithic integration of group IV devices on Si photonics as well as overcoming the size mismatch between electronic parts in the nm range and photonic parts in the µm scale. In this thesis the future application of GeSn NIs on Si as a photodetector is evaluated. The key element required for high performance optoelectronic devices is the formation of high-quality GeSn nano-islands (NIs), i.e. overcoming growth challenges such as introduction of defects due to lattice and thermal mismatch between GeSn and Si substrate as well as suppression of Sn precipitation caused by the limited solid solubility of Sn in Ge. To achieve high-quality nanostructures, the selective growth of GeSn NIs on Si(001) seeds via molecular beam epitaxy is investigated, exploiting the advantages of nanoheteroepitaxy (NHE), i.e. growth on nano-patterned substrates. The best compromise between selective growth of GeSn on Si nano-pillars at significant higher growth temperature than the eutectic temperature of GeSn and the incorporation of Sn into the Ge lattice was achieved at 600°C. X-ray diffraction studies confirmed the substitutional incorporation of 1.4at.% Sn into the NIs avoiding considerable Si interdiffusion from the substrate. Transmission electron microscopy images have shown that dislocations and stacking faults caused by plastic relaxation of the GeSn NIs are located near the NIs/substrate interface and thus, dislocation-free GeSn NIs can be formed, due to gliding out of the threading arms triggered by the NHE approach. The high crystal quality of the GeSn NIs, enables the investigation of the bandgap by μ-photoluminescence (PL) analyses, demonstrating the shrinkage of the direct bandgap with increasing Sn content in the quasi-direct semiconductor. All NIs however feature a β-Sn droplet on their nano-facets. To suppress the out-diffusion of Sn and hence increase the Sn concentration of the GeSn alloy, the GeSn NIs were overgrown with a thin Ge cap layer. The Ge cap successfully hinders the formation of Sn segregates on top of the NIs. Capping at 600 °C and 650°C results in an enrichment of Sn at the surface, forming a GeSn crust with 8±0.5at.% Sn. This wetting layer both enhances the optoelectronic properties of the NI core and exhibits a relatively strong PL emission attributed to direct radiative recombination. Finally, a first demonstration of a GeSn NIs based photodetector was successful, due to the utilization of Al nano-antennas exhibiting an enhanced light coupling into the GeSn NIs at a wavelength of 700nm. The responsible mechanisms is the local plasmonic field enhancement of the incoming light. The manipulation of the resonance wavelength into the telecommunication regime, i.e. >1550nm, have to be investigated in future studies. N2 - In den letzten sieben Jahrzehnten hat sich durch den Einsatz neuer Materialien die Si-basierte Mikroelektronik-Industrie enorm weiterentwickelt. Offene Fragestellungen sind die monolithische Integration von Gruppe-IV-basierten Bauteilen auf Si-Photonischen Chips sowie die Größendiskrepanz zwischen elektronischen und photonischen Bauteilen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit soll untersucht werden, ob GeSn-Nano-Inseln (NI) auf Si Wafern für die Verwendung als Photodetektor geeignet sind. Ein wesentlicher Aspekt zur Realisierung von optoelektronischen Hochleistungsbauteilen ist das Wachstum von hoch kristallinen GeSn-NI, d.h. die Einbringung von Defekten aufgrund von Gitter- und thermischer Fehlanpassung zwischen den GeSn-NI und dem Si-Substrat sowie Sn-Segregation aufgrund der geringen Löslichkeit von Sn in Ge müssen vermieden werden. Unter der Verwendung des Nanohetereopitaxie (NHE) Ansatzes wird das selektive Wachstum von GeSn-NI mithilfe von Molekularstrahlepitaxie untersucht. Der beste Kompromiss zwischen selektivem GeSn Wachstum auf nanostrukturierten Si(001) und dem Einbau von Sn in das Ge-Gitter wurde bei 600°C erreicht, was bei weitem die eutektische Temperatur von GeSn überschreitet. Analysen mithilfe von Röntgendiffraktometrie ergaben einen substitutionellen Einbau von 1.4at.% Sn in die NI ohne erhebliche Si-Interdiffusion aus dem Si Substrat. Aufnahmen mittels von Transmissionselektronenmikroskopie zeigten, dass sich Versetzungen und Stapelfehler aufgrund plastischer Relaxation nur an der NI/Substrat-Grenzfläche befinden, da Versetzungsarmen aufgrund NHE herausgleiten können. Die hohe Kristallqualität der versetzungsfreie GeSn-NI ermöglicht es, die Bandlücke mithilfe von Photolumineszenz (PL) Spektroskopie zu charakterisieren. Dabei konnte festgestellt werden, dass es zu einer Verringerung der direkten Bandlücke mit steigendem Sn-Gehalt im quasi-direkten Halbleiter kommt. Alle Inseln weisen β-Sn-Tropfen auf ihren Nano-Fazetten aufgrund der Diffusion des überschüssigen Sn auf. Um den Sn-Gehalt in der GeSn-Legierung zu erhöhen, wurden die GeSn-NI im Nachhinein mit einer dünnen Ge-Deckschicht überwachsen. Diese Ge-Deckschicht verhindert die Bildung von β-Sn-Segregaten auf den GeSn-NI. Zusätzlich bildet sich bei 600°C und 650°C eine GeSn Kruste mit 8±0.5at.% Sn aus. Diese Benetzungsschicht verbessert die optoelektronischen Eigenschaften des Inselkerns und weist gleichzeitig eine relativ starke PL Emission aufgrund der direkten Bandlücke auf. Schließlich war eine erste Demonstration eines Photodetektors basierend auf GeSn-NI durch die Verwendung von Al-Nano-Antennen erfolgreich, um eine verstärkte Lichteinkopplung in die GeSn-NI bei einer Wellenlänge von 700nm zu erreichen. Der zugrundeliegende Mechanismus ist die lokale plasmonische Feldverstärkung des einfallenden Lichtes. Die Manipulation der Resonanzwellenlänge in den Telekommunikationsbereich, d.h. >1550nm, sollte in zukünftigen Studien untersucht werden. KW - Group IV KW - Nanoheteroepitaxy KW - Photoluminescence KW - Selective growth KW - Gruppe IV KW - Nanoheteroepitaxie KW - Photolumineszenz KW - Selektives Wachstum KW - Germanium KW - Zinn KW - Silicium KW - Heteroepitaxie KW - Photodetektor Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48860 ER - TY - THES A1 - Schlipf, Jón Benedikt T1 - Enhancement of group-IV optoelectronic sensing devices through materials engineering and nanostructuring T1 - Verbesserung von optoelektronischen Sensoren der Gruppe IV durch Werkstofftechnik und Nanostrukturierung N2 - Driven by the continuous research progress in integrated electronics towards increasing complexity and miniaturization, semiconductor technology has not only yielded very powerful electronic devices, but also provided the necessary tools for miniaturization of mechanical, optical and other functions into micro- and nanoscale devices. While transistor scaling approaches the physical limits mainly governed by heat dissipation, further advances are predicted to stem from the integration of additional functionality into integrated circuits instead. For the case of photonics and optoelectronics, which have plenty of applications in computing, communications and sensing, silicon devices have been applied commercially for several years. While being compatible with mainstream electronics, silicon does not offer the optimum properties for mediation between optics and electronics compared to, for example, III-V materials. To alleviate this, properties can be improved both through wavelength-scale structuring and exploitation of resonances, and through alloying with other group-IV materials like germanium and tin. Both of these avenues are studied within this work. On one hand, nanophotonic structures, most notably metasurfaces, and corresponding simulation and optimization algorithms, are developed for selective filtering and enhancement of light-matter interactions. On the other hand, group-IV materials are studied, most notably their non-destructive characterization with optical methods. N2 - Auf dem Weg zu kontinuierlicher Steigerung von Komplexität und Miniaturisierung in der Elektronik hat die Halbleiterindustrie nicht nur sehr effektive elektronische Bauelemente hervorgebracht, sondern auch die Werkzeuge für die Miniaturisierung mechanischer, optischer und weiterer Funktionen in den Mikro- und Nanometerbereich geliefert. Während die Skalierung von Transistoren langsam durch die Energieverluste und resultierende Erwärmung beschränkt wird, werden weitergehende Fortschritte eher in der Integration zusätzlicher Funktionalitäten in integrierte Schaltkreise erwartet. Im Bereich der Photonik und Optoelektronik mit zahlreichen Anwendungen in Rechentechnik, Nachrichtentechnik und Sensorik werden Silizium-basierte Bauelemente seit einigen Jahren kommerziell eingesetzt. Während diese kompatibel zu einem Großteil der Elektronik sind, bietet Silizium im Vergleich zu beispielsweise III-V-Materialien für die Verbindung von Optik und Elektronik suboptimale Eigenschaften. Abhilfe bietet die Verbesserung von Bauelementeigenschaften sowohl durch Strukturierung auf der Größenskala der Wellenlänge als auch durch die Legierung mit anderen Gruppe-IV-Materialien wie Germanium und Zinn. Diese Arbeit beschreibt Forschung in beiden Richtungen. Auf der einen Seite wurden nanophotonische Strukturen, vor allem sogenannte Metaoberflächen, zur Verstärkung und selektiven Filterung der Interaktion von Licht und Materie und die dazu nötigen entsprechenden Simulations- und Optimierungsverfahren entwickelt. Auf der anderen Seite beschäftigt sich die Arbeit mit der Weiterentwicklung von siliziumkompatiblen Materialien der vierten Hauptgruppe, vor allem mit der nicht destruktiven Charakterisierung solcher Materialien mit optischen Verfahren. KW - Metasurface KW - Group-IV KW - Plasmonics KW - Photodetector KW - Nanophotonik KW - Plasmonik KW - Gruppe-IV-Materialien KW - Integrierte Schaltung KW - Nanophotonik KW - Plasmonik KW - Silicium KW - Germanium Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67979 ER - TY - THES A1 - Ratzke, Markus T1 - Kraftmikroskopie als Werkzeug zur Charakterisierung elektrischer Oberflächeneigenschaften T1 - Force microscopy as tool for the characterization of electrical surface properties N2 - Die stetig fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie macht es notwendig, Oberflächenparameter mit Auflösung im Nanometerbereich zu messen und auch abzubilden. Von größtem Interesse sind hierbei das Oberflächenpotential und die Kapazität der oberflächennahen Bereiche, da diese Aussagen über die elektronische Struktur erlauben. Hierbei muss großes Augenmerk auf die Möglichkeit der zerstörungsfreien und präparationsarmen Messung gelegt werden, da jede Behandlung der zu untersuchenden Materialien deren Oberflächeneigenschaften ändert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auf der Atomkraftmikroskopie basierende Methoden sowohl experimentell als auch mit Hilfe von Simulationen auf ihre Anwendbarkeit für die Untersuchung von Halbleiteroberflächen evaluiert. Es stellt sich heraus, dass die kontaktfreien Methoden „Scanning Kelvin Probe Microscopy“ und „Scanning Capacitance Microscopy“ sehr gut geeignet sind, um die elektronische Struktur der Probenoberfläche qualitativ zu beurteilen. Allerdings muss für quantitative Aussagen ein recht großer rechentechnischer Aufwand betrieben werden. N2 - The still ongoing trend of miniaturization in the semiconductor industry creates the demand for experimental methods allowing a mapping of certain properties of surfaces with resolution in the nanometre range. Matters of particular interest are the surface potential and the capacitance of near surface regions, since these parameters give access to electronic properties. However, of major interest are non-destructive experimental methods, especially these with minor requirements on sample preparation allowing investigations of pristine surfaces. In this study, atomic force microscopy-based methods are evaluated both experimentally and with the help of simulations for their applicability to the investigation of semiconductor surfaces. It turns out that the non-contact methods, "Scanning Kelvin Probe Microscopy" and "Scanning Capacitance Microscopy" are very well suited to estimate the electronic structure of the sample surface qualitatively. However, for a quantitative assessment a fairly large effort of computing has to be carried out. KW - Kraftmikroskopie KW - Halbleiteroberfläche KW - Atomkraftmikroskopie KW - Silizium KW - Scanning Kelvin Probe Microscopy KW - Scanning Capacitance Microscopy KW - Atomic force microscopy KW - Silicon KW - Scanning Kelvin Probe Microscopy KW - Scanning Capacitance Microscopy Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24440 ER - TY - THES A1 - Holla, Markus T1 - Defektcharakterisierung von Halbleitermaterialien für die Photovoltaik T1 - Defect characterization of semiconductor materials for photovoltaics N2 - Zur Deckung des stetig steigenden Energiebedarfs und unter Berücksichtigung des Umweltschutzes werden unter anderem Solarzellen genutzt. Defekte in Solarzellen können die Effizienz verringern. In dieser Arbeit wird das Defektverständnis von Silizium basierten Solarzellen erweitert. Neue experimentelle Erkenntnisse konnten zu folgenden Schwerpunkten gewonnen werden: • Siliziumnitrid- und Siliziumkarbidausscheidungen in multikristallinem Silizium • Rekombinationsaktivität in dünnen Siliziumschichten • Charakterisierung der Rekombinationsaktivität von Germanium als Modellmaterial für die Siliziumkristallisation • Rekombinationsaktivität und Verspannung an Korngrenzen Um Ergebnisse experimenteller Defektcharakterisierung auf allgemein gültige Parameter der Rekombination wie z.B. Ladungsträgerdiffusionslänge oder Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zurückführen zu können, wurden zu folgenden Phänomenen Modelle entwickelt und Simulationen durchgeführt: • Getterzonen an Korngrenzen • Ermittlung von Diffusionslänge und Diffusionskoeffizient in Dünnschichtmaterial • 3D-Raumladungseffekte Die Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse über die Rekombinationseigenschaften der Defekte liegt in einer möglicherweise zukünftigen kontrollierten Defektbeeinflussung und somit einer Effizienzverbesserung von Solarzellen. N2 - Solar cells are one possibility to meet the increasing energy requirement. Defects in solar cells can decrease the solar cell efficiency. The defect understanding of silicon based solar cell material is the aim of the present work. New experimental knowledge is achieved in the following topics: • silicon nitride and silicon carbide in multicrystalline silicon • recombination activity in thin silicon layers • characterization of germanium recombination activity as model material for silicon crystallization • recombination activity and stresses at grain boundaries Models and simulations are developed to conclude results from experimental defect characterization to generally valid recombination parameters for example charge carrier diffusion length or surface recombination velocity. The simulation chapters focus on the following issues: • getter zones at grain boundaries • estimation of diffusion length and diffusion coefficient in thin film material • 3D-space-charge-effects Possibly in future the new knowledge about recombination properties of defects could be used to influence the defects controlledly and increase the solar cell efficiency. KW - Defekt KW - Defect KW - Halbleiter KW - Semiconductor KW - Festkörperphysik KW - Halbleiter Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-36384 ER - TY - THES A1 - Jia, Guobin T1 - Characterization of electrical and optical properties of silicon based materials T1 - Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von Silizium-basierten Materialien N2 - In this work, the electrical and luminescence properties of a series of Si based materials used for photovoltaics, microelectronics and nanoelectronics have been investigated by means of electron beam induced current (EBIC), cathodoluminescence (CL), photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL). Photovoltaic Si produced by block casting has been investigated by EBIC on wafers sliced from different parts of the ingot. The impact of selected solar cell processing steps on the material properties has been evaluated by EBIC utilizing adjacent wafers from the ingot. The temperature dependence of dislocations’ EBIC contrast was measured to assess the degree of dislocation contamination with impurities, yielding low dislocation contamination for the middle of the block and high contamination in the top and bottom regions. This is in agreement with the impurity distribution in the block. It was found that phosphorus diffusion gettering (PDG) followed by SiN firing greatly reduces the recombination activity of extended defects at room temperature, and improves the bulk property simultaneously. The improvement is attributed to both PDG of metal impurities and a passivation effect of SiN firing. In order to better understand the factors limiting the properties of thin polycrystalline Si layers prepared by the Aluminum induced layer exchange (Alile) technique, epilayers grown on (111) and (100) monocrystalline Si substrates were used as a model system to investigate the impact of processing temperature (Ts) and type of substrate. It was found that no dislocations are formed for epilayers on (100) Si, while a high density of dislocations was detected on epilayers prepared on (111) Si at 450 °C. The dislocation density decreases with increasing TS. The diffusion lengths extracted from the energy dependent EBIC collection efficiencies reveal an improvement of the epilayer quality with increasing TS during growth from 450 °C to 650 °C, and a decrease of the epilayer quality at 700 °C. This is attributed to a reduction of the dislocation density with increasing TS and a formation of precipitates during the process. Precipitate formation of at 700 °C is limited because the metal impurities are very mobile at high TS, resulting in a homogeneous distribution of the impurities. Because the impurities are effective lifetime killers of the minority carriers, so the diffusion length decreases. PL measurements on epilayers grown on Si substrates revealed no characteristic dislocation-related luminescence (DRL) lines at room temperature and 77 K, while intense characteristic DRL lines D1 - D4 have been detected in the sample prepared by the Alile technique. This indicates that dislocations in the Alile sample are relatively clean. The possible reason for the purification of the Alile samples is Al induced gettering during the polycrystalline Si layer growth. The diffusion length in the thin top layer of Si-on-insulator (SOI) samples has been successfully measured by EBIC employing suppression of the surface recombination at the buried oxide layer and at surface of the top layer by biasing. The measured diffusion length is several times larger than the layer thickness. Dislocation networks produced by Si wafer direct bonding have been investigated with regard to their electrical properties by EBIC. The networks were observed to show charge carrier collection and electrical conduction. Inhomogeneities in the charge collection were detected in n- and p-type samples under appropriate beam energy. The EBIC contrast behavior can be understood under the consideration of the positively charged oxide precipitates along with dislocations charged with majority carriers, where the appearance of the contrast in dark or bright depends strongly on the ratio of the collection and the recombination loss of the carriers.The luminescence properties of Si nanostructures (Si nanowires, Si nano rods, porous Si, and Si/SiO2 multi quantum wells (MQWs)) are another important subject of this work. Sub-bandgap infrared (IR) luminescence around 1570 nm has been found in Si nanowires, nano rods and porous Si. PL measurements with samples immersed in different liquid media, for example, in aqueous HF (50%), concentrated H2SO4 (98%) and H2O2 established that the sub-bandgap IR luminescence originates from the Si/SiOx interface. Its origin was explained in terms of a simple recombination model through radiative interface states. EL in the sub-bandgap IR range has been observed in simple diodes prepared on porous Si and MQWs at room temperature. The results show the possibility to fabricate an efficient light emitter around 1570 nm wavelength based on the radiative recombination at the Si/Si oxide interface. Based on the knowledge about radiative transitions via the interface states, an improved understanding of luminescence in dislocated samples was proposed. N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die elektrischen und Lumineszenzeigenschaften von verschiedenen Si-basierten Materialien mit Hilfe von Elektronenstrahlinduziertem Strom (EBIC), Kathodolumineszenz (CL), Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz (EL) untersucht. Die elektrischen Eigenschaften von Blockguss-Solar-Si wurden mittels EBIC an Proben aus verschiedenen Blockhöhen untersucht. Durch EBIC-Messungen an Parallelproben, die im Block unmittelbar benachbart waren, aber unterschiedlichen thermischen Prozessen unterzogen wurden, konnte die Wirkung ausgewählter Prozessschritte auf die Materialeigenschaften verfolgt werden. Aus den gemessenen Temperaturabhängigkeiten des EBIC-Kontrastes der Versetzungen lässt sich ableiten, dass in der Mitte des Blockes die Kontamination der Versetzungen mit metallischen Verunreinigungen gering ist, am Boden und in der Kappe aber deutlich höher. Das ist in guter Übereinstimmung mit der Höhnenverteilung der Verunreinigungen im Block. Es wurde festgestellt, dass Phosphordiffusionsgetterung (PDG) mit anschließendem Feuern einer aufgebrachten SiN-Schicht die Rekombinationsaktivität der ausgedehnten Defekten bei Raumtemperatur deutlich reduziert und gleichzeitig die Volumenqualität verbessert. Die Verbesserung wird auf Getterung von metallischen Verunreinigungen infolge PDG und die Passivierungswirkung des SiN-Feuerns zurückführt. Um die Faktoren, die die Eigenschaften dünner polykristalliner, mittels sogenannter Al-induzierter Schichtaustauschtechnik (Alile) hergestellter Si-Schichten besser verstehen zu können, wurden als Modellsystem für die Untersuchung des Einflusses von Substrate und Prozesstemperatur Epischichten auf (111)- und (100)-orientierten einkristallinem Si abgeschieden. Es wurde festgestellt, das Epischichten auf (100) Si versetzungsfrei wachsen nachgewiesen hat, während Epischichten auf (111) Si eine hohe Versetzungendichte bei 450 °C aufweisen. Die Dichte der Verstzungen nimmt mit steigender Substrattemperatur (TS) ab. Die aus der energienabhängigen Messungen der EBIC-Sammlungseffizienz ermittelten Diffusionslängen zeigen für (111) Si eine Zunahme der Schichtqualität mit steigender TS bis 650 °C, und einen Abfall für 700 °C. Das Abfallen der Diffusionslänge bei 700 °C deutet daraufhin, dass die Ausscheidungsbildung nicht effektiv ist und sich die Verunreinigungen fast gleichmäßig in der Schicht verteilen. Da die Verunreinigungen aktive Rekombinationszentren und Lebensdauerkiller für Minoritätsladungsträger sind, nimmt so die Diffusionslänge ab. PL-Messungen an auf (100)- und (111)-Si gewachsenen Epischichten haben keine versetzunginduzierte Lumineszenz (DRL) D1-D4 nachgewiesen. In der Alile-Probe tritt dagegen ein intensives DRL-Siganl auf. Dies bedeutet, dass die Versetzungen in der Alile-Probe relativ sauber sind, was wahrscheinlich auf eine Al-induzierte Getterung von Verunreinigungen zurückzuführen ist. Die Diffusionslänge in der dünnen oberen Schicht von SOI-Proben wurde erfolgreich mittels EBIC gemessen, indem die Oberflächenrekombination an der Oberfläche und an der vergrabenen Oxidschicht mit Hilfe angelegter Spannungen unterdrückt wurde. Die gemessene effektive Diffusionslänge ist mehrfach länger als der Schichtdicke. Durch direktes Bonden von Si-Wafern hergestellte Versetzungsnetzwerke wurden mit EBIC hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Netzwerke Ladungssammlung und elektrische Leitung zeigen. Bei bestimmten Strahlenergien wurden Inhomogenitäten der Ladungssammlung nachgewiesen. Das Verhalten des EBIC-Kontrastes dieser Inhomogenitäten kann unter der Berücksichtigung der positiv geladenen Sauerstoffausscheidungen im Netzwerk und der mit Majoritätsträgern beladenen Versetzungen verstanden werden. Das Auftreten von Dunkel- oder Hellkontrast hängt stark vom Verhältnis zwischen Ladungssammlung und Rekombinationverlust am Netzwerk ab. Die Lumineszenzeigenschaften von Si-Nanostrukturen (Si-Nanodrähte, Nanostäbe, poröses Si und Si/SiO2 Multi-Quantentöpfe (MQW)) sind ein anderes wichtiges Thema der Arbeit. Ein infrarotes Lumineszenzband im „sub-bandgap“-Bereich wurde in Si-Nanodrähten, Nanostäben und porösem Si entdeckt. PL-Messungen in flüssigen Medien wie HF (50%), H2SO4 (98%) und H2O2 ergaben, dass das Lumineszenzband von der Si/SiOx-Grenzfläche stammt. Zur Erklärung dieses Bandes wurde ein einfaches Rekombinationsmodel via Grenzflächenzustände vorgeschlagen. EL-Messungen an Dioden aus porösem Si und MQW zeigten infrarote Lumineszenz im „sub-bandgap“-Bereich bei 300 K. Die Ergebnisse demonstrieren die Möglichkeit, einen effizienten Lichtemitter bei 1570 nm Wellenlänge auf der Basis strahlender Rekombination an der Si/SiOx-Grenzfläche herzustellen. Basierend auf dem Wissen über strahlende Rekombination an der Si/SiOx-Grenzfläche, wurde ein modifiziertes Verständnis der Lumineszenz in versetztem Si vorgeschlagen. KW - Siliciumverbindungen KW - Werkstoffkunde KW - Silicium KW - Elektrische Eigenschaft KW - Optische Eigenschaft KW - Versetzungsnetzwerk KW - Elektrische Leitfähigkeit KW - Diffusionslänge in SOI-Schichten KW - Solarzellen KW - Infrarote Lumineszenz im Sub-bandgap-Bereich KW - Dislocation network KW - Electrical conductivity KW - Diffusion length in SOI layer KW - Solar cells KW - Sub-bandgap infrared luminescence from Si/SiOx interface Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14030 ER - TY - THES A1 - Trushin, Maxim T1 - Electronic properties of interfaces produced by silicon wafer hydrophilic bonding T1 - Elektronische Eigenschaften durch hydrophiles Bonden von Siliziumwafern erzeugter Grenzflächen N2 - The thesis presents the results of the investigations of electronic properties and defect states of dislocation networks (DNs) in silicon produced by wafers direct bonding technique. Practical interest for the investigations in this area issued – first of all – from the potential application of such dislocation networks in microelectronics as all-Si light emitter for on-chip interconnection. Besides, dislocation networks may serve as a perfect model object to get new information about the fundamental properties of dislocations and grain boundaries in Si, what is of particular importance for multicrystalline silicon solar cells performance. Despite of a long story of studying of dislocations in silicon, a new insight into the understanding of their very attractive properties was succeeded due to the usage of a new, recently developed silicon wafer direct bonding technique, allowing to create regular dislocation networks with predefined dislocation types and densities. Samples for the investigations were prepared by hydrophilic bonding of p-type Si (100) wafers with same small misorientation tilt angle (~0,5°), but with four different twist misorientation angles Atw (being of <1°, 3°, 6° and 30°, respectively), thus giving rise to the different DN microstructure on every particular sample. The main experimental approach of this work was the measurements of current and capacitance of Schottky diodes prepared on the samples which contained the dislocation network at a depth that allowed one to realize all capabilities of different methods of space charge region spectroscopy (such as CV/IV, DLTS, ITS, etc.). The key tasks for the investigations were specified as the exploration of the DN-related gap states, their variations with gradually increasing twist angle Atw, investigation of the electrical field impact on the carrier emission from the dislocation-related states, as well as the establishing of the correlation between the electrical (DLTS), optical (photoluminescence PL) and structural (TEM) properties of DNs. The most important conclusions drawn from the experimental investigations and theoretical calculations can be formulated as follows: - DLTS measurements have revealed a great difference in the electronic structure of small-angle (SA) and large-angle (LA) bonded interfaces: dominating shallow level and a set of 6-7 deep levels were found in SA-samples with Atw of 1° and 3°, whereas the prevalent deep levels – in LA-samples with Atw of 6° and 30°. The critical twist misorientation angle separating SA- and LA- interfaces was estimated as Atw*≈ 3,5±0,5°, what agrees quiet well with the results of previous PL and TEM investigations. - For the dominating shallow traps in SA-samples (denoted as ST1/ST3 traps) a new phenomenon – that is ‘giant Poole-Frenkel effect’ of enhanced carrier emission due to dislocations elastic strain field was observed for the first time. Performed theoretical calculations have shown that in the investigated samples such an effect should be ascribed to the row of 60° dislocations rather than to the mesh of screw ones. In this respect, shallow traps ST1/ST3 were identified either with shallow 1D bands (directly or as being coupled with them) or with shallow stacking fault states on splitted 60° dislocation. - From the comparison and correlations of measured DLTS spectra with the results of PL and TEM investigations it was established, that shallow ST1/ST3 traps participate in D1 radiative recombination and that the structural elements, responsible for D1 luminescence of small-angle DNs, are the triple knots (intersections with screw dislocations) along the 60° dislocations. However, the optimal density of 60° dislocations as well as of triple knots, in other words – the optimal tilt and twist misorientation angles for maximal D1 intensity – needs further clarification. N2 - Die Doktorarbeit stellt Ergebnisse von Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften und Defektzustände von durch direktes Waferbonden erzeugten Versetzungsnetzwerken in Siliziumwafern vor. Praktisches Interesse an diesen Untersuchungen resultiert vor allem aus der möglichen Nutzung solcher Versetzungsnetzwerke als Si-basierte Lichtemitter für die On-Chip-Datenübertragung in der Mikroelektronik. Außerdem können solche Versetzungsnetzwerke als perfektes Modellobjekt dienen, um neue Informationen über die grundlegenden Eigenschaften von Versetzungen und Korngrenzen in Si zu erhalten, die von erheblicher Bedeutung für die Leistungsfähigkeit der multikristallinen Si-Solarzellen sind. Trotz einer Vielzahl von vorangegangenen Untersuchungen an Versetzungen in Si konnte ein neuer Beitrag zum Verständnis der interessanten Eigenschaften von Versetzungen geleistet werden, der wesentlich auf der Nutzung eines neuen, kürzlich entwickelten Verfahrens zum Waferbonden aufbaut, mit dem es möglich geworden ist, ein regelmäßiges Versetzungsnetzwerk mit vordefinierten Versetzungstypen und Versetzungsdichten zu erzeugen. Die Proben für die Untersuchungen wurden durch hydrophiles Waferbonden hergestellt. Alle Proben wurden mit dem gleichen kleinen Fehlorientierungskippwinkel von ca. 0,5° gebondet, jedoch mit vier verschiedenen Fehlorientierungsverdrehungswinkeln von <1°, 3°, 6° und 30°, aus denen sich für die einzelnen Proben eine verschiedene Versetzungsmikrostruktur ergab. Der wichtigste experimentelle Ansatz dieser Arbeit ist die Durchführung von Messungen des Stromes und der Kapazität von Schottky-Dioden an Proben, die Versetzungsnetzwerke in einer solchen Tiefe enthielten, dass alle Möglichkeiten der verschiedenen Methoden der Raumladungszonen-Spektroskopie (wie CV/IV, DLTS, ITS) genutzt werden konnten. Die Zielstellungen der Untersuchungen umfassten die Erfassung der elektronischen Zustände in der Bandlücke, die mit dem Versetzungsnetzwerk in Verbindung stehen, deren Abhängigkeit von der graduell modifizierten Geometrie des Versetzungsnetzwerkes, die Untersuchung des Einflusses des elektrischen Feldes auf die Ladungsträgeremission aus den versetzungsbezogenen Zuständen sowie die Herstellung von Korrelationen zwischen elektrischen, optischen (Photolumineszenz – PL) und strukturellen (TEM) Eigenschaften der Versetzungsnetzwerke. Die wichtigsten Schlussfolgerungen aus den experimentellen Untersuchungen und theoretischen Berechnungen können wie folgt formuliert werden: - Die DLTS-Messungen zeigen einen großen Unterschied in der elektronischen Struktur von Netzwerken, die mit kleinem Winkel (SA) oder großem Winkel (LA) der Fehlorientierung gebondet wurden. Flache Zustände und etwa 6-7 tiefe Niveaus wurden in SA-Proben mit Verdrehungswinkeln von 1° und 3° gefunden, während für LA-Proben mit 6° und 30° Verdrehungswinkel tiefe Zustände vorherrschen. Der kritische Winkel, welcher die SA- von den LA-Proben trennt, ist etwa 3,5 ± 0,5 °, was auch mit den Ergebnissen der bisherigen PL- und TEM-Untersuchungen übereinstimmt. - Für die dominierenden flachen Zustände in den SA-Proben (bezeichnet als ST1/ST3- Haftstellen) wurde erstmalig ein neues Phänomen beobachtet – der so genannte "Riesen-Poole-Frenkel-Effekt" der verstärkten Ladungsträgeremission infolge des elastischen Verzerrungsfeldes der Versetzungen. Durchgeführte theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass in den untersuchten Proben dieser Effekt nicht den Schraubenversetzungen, sondern den 60°-Versetzungen zugeschrieben werden muss. In diesem Zusammenhang konnten die flachen Haftstellen ST1/ST3 entweder als flache 1-D Bändern oder als flache Stapelfehlerzustände an aufgespaltenen 60°-Versetzungen identifiziert werden. - Durch Vergleich und Korrelation der gemessenen DLTS-Spektren mit den Ergebnissen der PL- und TEM-Untersuchungen wurde festgestellt, dass die flachen ST1/ST3-Haftstellen an der strahlenden D1-Rekombination beteiligt sind und dass die Dreifachknoten (Schnittpunkte) entlang der 60°-Versetzungen die Strukturelemente darstellen, die für die D1- Lumineszenz an Kleinwinkelnetzwerken verantwortlich sind. Daher sind für eine hohe Intensität der D1-Luminszenz sowohl Verdrehung wie auch Verkippung wichtig, wobei für die Angabe der optimalen Dreh- und Kippwinkel weitere Spezifizierung nötig ist. KW - Elektronische Eigenschaft KW - Siliciumbauelement KW - Bonden KW - Wafer KW - Silicium KW - Versetzungsnetzwerk KW - Poole-Frenkel Effekt KW - DLTS KW - D1 Lumineszenz Band KW - Dislocation networks KW - DLTS KW - Poole-Frenkel effect KW - D1 Luminescence band Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22841 ER - TY - THES A1 - Oriwol, Daniel T1 - Die Versetzungsstruktur von multikristallinem Silicium aus der industriellen VGF-Blockkristallisation T1 - The dislocation structure of multicrystalline silicon made by industrial block casting N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Struktur und der Entwicklung von Versetzungen in multikristallinen Siliciumblöcken aus der gerichteten Blockkristallisation. Versetzungen können für die Rekombination von Ladungsträgern verantwortlich sein und damit den Wirkungsgrad von Solarzellen und -modulen mindern. Die experimentelle Arbeit gliedert sich bezüglich ihrer Fragenstellung und der Methodenwahl in drei Teile und wird in den Kapiteln 2 bis 4 behandelt. In Kapitel 2 wird die Defektstruktur vieler Siliciumblöcke mittels automatisierten Verfahren untersucht. Die Analysemethoden umfassen dabei die Auswertung der Wafertextur und der Infrarot-Durchlichtbilder sowie Ätzgrubendichtezählung (EPD) und Photolumineszenz (PL). Der Betrachtungsabstand ist makroskopisch und die Ergebnisse geben das Verhalten von vielen Versetzungen wieder. Die Versetzungsstruktur in multikristallinem Silicium ist geprägt durch scharf abgegrenzte Bereiche mit sehr hoher Versetzungsdichte. Diese sog. Versetzungscluster bestehen aus einem Netzwerk aus Versetzungs-Pile-ups (Kleinwinkelkorngrenzen) und können in sogenannte leichte und dichte Cluster unterschieden werden. Die Versetzungscluster haben im Siliciumblock einen Ausgangspunkt, von dem aus sie sich ausbreiten. Dieser befindet sich hauptsächlich an Korngrenzen und generiert sich spontan während der Erstarrung in der Nähe der Phasengrenze. Das Auftreten von leichten und dichten Clustern ist abhängig von der Kornorientierung parallel zur Wachstumsrichtung. Körner mit Orientierungen nahe <111>, <211> und <311> neigen dazu leichte Cluster auszubilden, während Körner mit Orientierungen um <110>, <331> und <531> eher dichte Cluster ausbilden. Kornorientierungen um <100> und <511> sind unauffällig bzgl. der Ausbildung von Versetzungsclustern. Der Zusammenhang liegt in der Orientierung der Gleitebenen begründet. Kapitel 3 behandelt die strukturelle Untersuchung der Versetzungen mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) sowie der Synchrotron- Röntgentopographie (WB-XRT). Die Versetzungen formen streng geordnete Pile-ups, welche letztendlich Kleinwinkelkorngrenzen entlang der Wachstumsrichtung ausbilden. Der Versetzungsabstand beträgt etwa 30 bis 800 nm, was mit einer Verkippung in der Kristallorientierung von 0,3 bis 0,07 ° korrespondiert. Die Rotation der Kristallorientierung verläuft hauptsächlich um eine Achse parallel zur Wachstumsrichtung. Anhand dieser Beobachtungen wurde ein Modell zur Abschätzung der Versetzungsdichte aufgestellt. Für die leichten Cluster beträgt diese ca. 2*10^5 cm^2 und für die dichten Cluster etwa 3*10^7 cm^2. Die Auswirkungen der Versetzungsstruktur auf die elektrischen Eigenschaften werden in Kapitel 4 behandelt. Mit Electron Beam Induced Current (EBIC) und Dunkel-Lock-In-Thermographie (DLIT) wurde herausgestellt, dass vor allem solche Versetzungen elektrisch aktiv sind, welche sich zu Kleinwinkelkorngrenzen angeordnet haben. Ein niedriger Versetzungsabstand innerhalb der Subkorngrenzen scheint nur eine Bedingung für eine elektrische Aktivierung zu sein. Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag der Verkippung einer Subkorngrenze und dem EBIC-Kontrast konnte nicht hergestellt werden. In der abschließenden Diskussion (Kap. 5) wird ein Modell zur Entstehung und Evolution von Versetzungsclustern vorgeschlagen. Die Versetzungscluster generieren sich hauptsächlich an Korngrenzen. Dabei werden die Kleinwinkelkorngrenzen durch die Restrukturierung von Versetzungen sekundär gebildet. Die Ergebnisse legen nahe, dass dies während der Erstarrung unmittelbar nach der Phasengrenze geschieht. Die treibenden Kräfte sind demnach thermische Spannungen an der Erstarrungsfront. Die Versetzungen und damit die Subkorn-Strukturen erreichen die Phasengrenze und bleiben bei der weiteren Kristallisation erhalten, sodass die kontinuierlich auftretenden thermischen Spannungen mit neuen Versetzungen und damit mit erneuter Bildung von Versetzungen und Subkorngrenzen abgebaut werden müssen. Durch diesen Vererbungseffekt erhöht sich die Versetzungsdichte stetig mit steigender Blockhöhe. Im Abschluss werden Maßnahmen zur Reduktion der Versetzungsdichte im Kristallisationsprozess diskutiert. Beim Ankeimen am Tiegelboden oder während der Erstarrung sollten geeignete Kornorientierungen bevorzugt werden. Eine weitere Maßnahme ist die Reduktion der radialen thermischen Spannungen während der Kristallisation. Unbekannt bleibt die genaue, atomare Ursache der erhöhten Versetzungsgeneration an Korngrenzen und die damit verbundene spontane Bildung von Versetzungsclustern. Weiterhin bleibt offen, ob und in welchem Umfang Lomer-Cottrell-Versetzungen innerhalb der Subkorngrenzen gebildet werden und welchen Einfluss diese auf die elektrische Aktivität haben. N2 - This work deals with the structure and evolution of dislocations in multicrystalline silicon ingots made by industrial block casting. Dislocations can act as recombination active centres and therefore be detrimental for the solar cell efficiency. Concerning the topics the experimental work can be divided into three parts treated in chapter 2 to 4. In chapter 2, the defect structure is investigated in dependence of the grain structure by automatized methods. These are the analysis of texture and IR-transmission pictures as well as etch pit density measurements and photoluminescence. The macroscopic viewing distance provides information about the behaviour of many dislocations. The dislocation structure is characterized by regions of high dislocations density lying site by site to regions with low dislocation densities. These so called dislocation clusters are made of a network of pile-up (low angle subgrain-boundaries) and can be divided into two types, called light clusters and dense clusters. The clusters are formed spontaneously mostly at grain boundaries in the vicinity of the liquid-solid interface during the crystallization. The occurrence of the two types of clusters depends on the crystal grain orientation parallel to the growth direction. Grains with orientations near <111>, <211> and <311> tend to build light clusters, whereas grains with orientations near <110>, <331> and <531> tend to build dense clusters. Grains with orientations near <100> and <511> appear to have a small tendency to build clusters at all. This correlation may be explained by the orientations of the slip systems. If two independent {111} glide planes are oriented parallel or nearly parallel to the growth direction a tendency to build dense cluster is given. With higher deviation from this condition the grains tend to build light clusters. Chapter 3 deals with the structural investigation by means of transmission electron microscopy and white-beam X-ray topography. It is shown that dislocations arrange into up pile ups and eventually build up subgrain boundaries lying along growth direction. The dislocation distances within the subgrain boundaries ranges from 30 to 800nm which corresponds to a rotation in the crystal orientation from 0.3 to 0.07 °. The rotation axis lies parallel to the growth direction. With these observations, an estimation of the dislocation density within the subgrain boundaries has been developed. The dislocation densities amount to 2*10^5 cm^2 for light clusters and 3*10^7 cm^2 for dense clusters, respectively. The impact of the dislocation structure on the electrical properties is treated in chapter 4. It is shown by means of electron beam induced current (EBIC) and dark lock-in thermography (DLIT) that subgrains within the dislocations clusters are the main recombination active defects. Regions of low dislocation density have no electrical effect for photovoltaic application. A small dislocation distance within the subgrains seems to be only one condition for the electrical activity. A correlation between the misorientation due to the subgrain and the EBIC-contrast could not be found. A decoration of the dislocations by impurities (in particular transition metals) is necessary as well. Furthermore, the influence of Lomer-Cottrell dislocations is discussed. A model for the generation and evolution of a dislocation cluster is given. These clusters are mainly generated at grain boundaries, although the exact source could not be identified. It is evidenced by the experimental results that the dislocations build up subgrain boundaries in the vicinity of the phase boundaries. The driving force for the dislocation generation is the thermal stress at the interface. During the crystallization, the dislocations reach the interface and are forced to growth further due to the proceeding interface. Thus the thermals stresses at the interface have to be released by the generation of new dislocations and subgrain boundaries. Due to this inheritance effect the dislocation density increases continuously during the crystallization. In the final part, methods for the reduction of the dislocation density are discussed. During seeding and crystallization the grain orientation along growth direction should be influenced. Grains growing in orientations near h100i are recommended, but grains with orientations about h110i should be avoided. A further method to reduce the dislocations density is to avoid radial thermal stresses. This work and its classification of dislocations clusters is a basis for further investigations. Extensive investigations by means of TEM and WB-XRT would be necessary to obtain closer information of the composition of subgrain boundaries. The nature of the source of dislocation clusters within the grain boundaries remains unexplained. Furthermore, it might be an interesting question how much Lomer-Cottrell dislocations play a role regarding the electrical activity of subgrain boundaries. KW - Versetzungen KW - Multikristallines Silicium KW - Gerichtete Erstarrung KW - Synchrotron Röntgentopographie KW - Transmissionselektronenmikroskopie KW - Dislocation KW - Multicrystalline silicon KW - Directional soldification KW - Synchrotron X-Ray topography KW - Transmission electron microscopy KW - Silicium KW - Polykristall KW - Versetzung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31553 ER - TY - THES A1 - Tetzner, Henriette T1 - Investigations of the electrical activity of defects in group IV and group III-N alloys integrated on Si substrates T1 - Untersuchung von elektrisch aktiven Defekten in Gruppe IV und Gruppe III-N epitaktischen Schichten integriert auf Si Substraten N2 - The hetero-integration of group IV and III-V epitaxial layers on silicon (Si) substrates enables novel devices for optoelectronic and high-power applications. However, lattice and thermal mismachtes lead to an unavoidable formation of defects in hetero-epitaxy. The consideration of these defects is important in semiconductor devices as they affect material properties and impair the device performances. Besides the structural characterization of the unintentional introduced defects and the question of it’s origin, it is essential to evaluate their electrical activity in order to describe their impact on the device performance. This work explores the electrical activity of threading dislocations (TDs) in Ge-rich SiGe heterostructures integrated on Si substrates as well as the electrical active defects introduced by the growth of aluminium-nitride (AlN) seed layers for the integration of gallium-nitride (GaN) on Si substrates. I demonstrated a defect-related p-type conductivity of intrinsically grown Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge that reaffirms previous work of similar intrinsic Ge-based material. Moreover, I detailed the threading dislocation related leakage currents in rectifying devices, revealing a power law dependence on the threading dislocation density (TDD). By a variation of temperature I determined the dominant mechanism of transport of this leakage currents in different temperature regimes, for which I suggested possible interactions with TD related defect states. Through the reduction of leakage currents in the fabricated MOS capacitors I was able to examine an effective carrier concentration of 5-6x10¹⁵cm⁻³ in the nominally intrinsic Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄ epitaxial layer, which decreases down to 1x10¹⁵cm⁻³in the Ge buffer underneath. By applying deep level transient spectroscopy (DLTS) I found one dominant hole trap at mid-gap position confirming the presence of an TD-related effective generation-recombination center. In addition, I investigated the hole trapping kinetics of this defect level and associated it with point defects that are trapped in the strain field around threading dislocations. I obtained insights into defect formation in the Si substrate and at the AlN/Si interface in dependence of the AlN growth temperature. A low temperature growth step prevented a deep in-diffusion of Al atoms into the Si substrate with simultaneous increase of the maximal p-type doping in the vicinity of the AlN/Si interface. Furthermore, I found a bulk hole trap inside the Si substrate at mid-gap position that showed an increase in density by applying a low temperature growth step. In contrast, the defect states at the AlN/Si interface decreased when a low temperature growth step was applied, in comparison to AlN layers grown at continuous high temperatures. N2 - Die Heterointegration von epitaktischen Gruppe IV und Gruppe III-V Schichten auf Silizium (Si) ermöglicht die Herstellung von innovativen Bauelementen für optoelektronische- und Hochleistungsanwendungen. Jedoch führen Gitterfehlanpassungen und Unterschiede in den Wäremausdehnungskoeffizienten zur unvermeidbaren Bildung von Defekten, welche verschiedene Materialeigenschaften beeinflussen und die Funktionsweise der Bauteile beeinträchtigen. Neben der strukturellen Charakterisierung der Defekte und der Frage nach deren Entstehung, ist es unerlässlich ihre elektrische Aktivität zu untersuchen, um den Einfluss auf die Bauteilperformance korrekt beschreiben zu können. Diese Arbeit untersucht die elektrische Aktivität von Durchstoßversetzungen in Silizium- Germanium (SiGe) Heterostrukturen mit hohem Germanium (Ge) Anteil, gewachsen auf Si Substraten, wie auch die elektrisch aktiven Defekte, welche durch das Wachstum von Alumiunnitrit (AlN) Schichten entstehen, die dazu genutzt werden um Galiumnitrit (GaN) auf Si zu wachsen. Ich konnte eine defektbedingte p-Dotierung in den undotiert gewachsenen Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge Schichten nachweisen. Darüber hinaus habe ich die versetzungsabhängigen Leckströme in gleichrichtenden Bauteilen beschrieben, wobei eine Potenzgesetzabhängigkeit von der Versetzungsdichte festegellt wurde. Durch eine Variation der Temperatur konnte ich die dominierenden Transportmechanismen der Leckströme bestimmen und habe mögliche Interaktionen mit den versetzungsbedingten Defektbändern beschrieben. Durch das erfolgreiche Unterdrücken der Leckströme in MOS Kondensatoren bestimmte ich eine effektive Ladungsträgerkonzentration in der intrinsischen Si0.06Ge0.94 Schicht in Höhe von 5-6x10¹⁵cm⁻³. In der darunter liegenden Ge-Pufferschicht sank diese Ladungsträgerkonzentration auf 1x10¹⁵cm⁻³. Mit Hilfe von Transientenspektroskopie tiefer Störstellen (DLTS) bestimmte ich eine löchereinfangende Störstelle in der Mitte der Bandlücke, die ein versetzungs-bedingtes Generation-Rekombinationszentrum in der untersuchten Si ₀ ̣₀₆Ge ₀ ̣₉₄/Ge Heterostruktur bestätigte. Zusätzlich untersuchte ich die Löchereinfangkinetik des gefunden Defektlevels und ordnete es daraufhin Punktdefekten zu, die im Spannungsfeld der Durchstoßversetzugen lokalisiert sind. Ich gewann Kenntnisse über elektrisch aktive Defekte im Si Substrat und an der AlN/Si Grenzfläche in Abhängigkeit der AlN Wachstumstemperatur. Ein Wachstumsschritt bei verringerter Temperatur verhinderte das tiefe Eindringen von Al Atomen in das Si Substrat im Vergleich zum AlN Wachstum bei konstant hoher Temperatur, wohingegen die maximale Dotierung in der Nähe der AlN/Si Grenzfläche anstieg. Des Weiteren beobachtete ich ein Defektlevel im Si Subsrtat in der Mitte der Bandlücke. Die Konzentration dieses Defektlevels nimmt zu, wenn der Wachstumsschritt bei verringerter Temperatur durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu nehmen die Defekte an der AlN/Si Grenzfläche ab. KW - Silicon-germanium KW - Extended defects KW - Electrical active defects KW - Silizium-Germanium KW - Durchstoßversetzungen KW - Elektrisch aktive Defekte KW - DLTS KW - C-V KW - Siiicium KW - Germanium KW - MOS KW - Gitterbaufehler KW - Elektrischer Durchbruch Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66819 ER - TY - THES A1 - Wiatrek, Andrzej T1 - Untersuchung der Eigenschaften der gesättigten stimulierten Brillouin-Streuung und ihrer Anwendungsmöglichkeiten T1 - Investigation of the properties and applications of the saturated stimulated Brillouin scattering N2 - Es ist wohl gerade die Einfachheit seiner Erzeugung, welche den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung so interessant für viele Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung, der Fasersensorik, der hochauflösenden Spektroskopie und auch der Signalverzögerung und -speicherung macht. Die geringe Verstärkungsbandbreite kann zur selektiven Filterung oder Abtastung optischer Signale eingesetzt werden, was die Grundlage der optischen Spektroskopie aber auch der Lichtspeicherung ist. Darüber hinaus werden Signale innerhalb dieser Bandbreite nicht nur verstärkt, sondern auch abhängig vom Gewinn bzw. der eingestellten Pumpleistung verzögert. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der sogenannten Slow-Light-Systeme. Damit kann mit einem Brillouin-Verstärker ein durchstimmbarer optischer Kurzzeitpuffer realisiert werden. In der vorliegenden Arbeit werden mit Hilfe gezielt gesättigter Brillouin-Verstärker grundlegende Beschränkungen des Brillouin-basierten Slow-Light und der Brillouin-basierten optischen Filterung aufgehoben, was mit den herkömmlichen linearen Ansätzen nicht möglich ist. Der Vorteil der Sättigung des Brillouin-Verstärkers ist, dass sie nur zu einer vorhersagbaren Begrenzung des Amplitudenspektrums aber nicht zur Entstehung neuer Signalfrequenzen führt. Die spektrale Begrenzung des verstärkten Signals und ein nichtlinearer Verlauf der Gruppenlaufzeit im spektralen Randbereich des Brillouin-Verstärkers führen zu einer zeitlichen Verbreiterung der verzögerten Lichtpulse. Diese Verbreiterung ist insofern problematisch, dass sie die Unterscheidbarkeit der verschiedenen Signalpegel für logische Einsen und Nullen signifikant verschlechtert. Mit Hilfe des vorgestellten gesättigten Systems erfolgt eine gezielte Rückformung der verzögerten Pulse, was erstmalig zu einer verbreiterungsfreien und damit auch verlustarmen Pulsspeicherung führt. Darüber hinaus kann auf Basis der Nachbildung der gesättigten Filtercharakteristik mit einem linearen Brillouin-Verstärker ebenfalls eine verbreiterungsfreie Pulsverzögerung nachgewiesen werden. Ein optischer Speicher kann aber auch durch Unterabtastung eines Signalspektrums mit einem Brillouin-basierten Kammfilter realisiert werden. Die maximale Speicherzeit ist dabei durch die natürliche Brillouin Gewinnbandbreite begrenzt. Dieser Wert ist abhängig von der Pump- und Signalleistung, der Umgebungstemperatur, von mechanischem Stress und vom Fasermaterial. Unter Ausnutzung der Sättigungseigenschaften des Brillouin-Gewinns lässt sich die Gewinnbandbreite durch Überlagerung einer sättigenden Spektralblende nahezu beliebig verkleinern. In dieser Arbeit wird auf Basis dieser Methode eine Bandbreitenreduktion des Brillouin-Filters um etwa eine Größenordnung nachgewiesen, wobei das Potential zur Verringerung um mehrere Größenordnungen besteht. N2 - It is probably the simplicity of its generation, which makes the nonlinear optical effect of stimulated Brillouin scattering that interesting for a lot of applications, such as optical signal processing, fiber sensorics, high-resolution optical spectroscopy, optical buffering and storage. Its small amplification bandwidth can be used for selective filtering or sampling of optical signals, which is the basis of optical spectroscopy and light storage as well. Furthermore, inside this bandwidth signals are not just amplified. They are delayed as well, depending on the gain and the pump power, respectively. This attribute is the foundation of the so-called slow-light systems. Therefore, a Brillouin amplifier can also be used used to implement a tunable optical short-time buffer. In this thesis it is shown that the saturation of the Brillouin amplifier can be applied to Brillouin based slow-light and Brillouin based optical filtering to remove their inherent limitations, which is impossible to do with the Brillouin amplifier working in the linear regime. The advantage of the saturation of a Brillouin amplifier is that it leads to a predictable limitation of the amplitude spectrum of the amplified signal, but not to the generation of new signal frequencies. The spectral narrowing of the amplified Signal and the nonlinear group delay at the spectral edges of the Brillouin amplifier cause a distortion of the delayed light pulses, which is primarily expressed in a temporal broadening of the pulse. Since it impairs the distinctiveness of the different signal levels for logical ones and zeros, this broadening is critically to the application of the method. With the help of the proposed saturated system the optical pulse is reshaped to its initial values. For the first time, this leads to a zero-broadening optical buffering of the pulses. Furthermore, it is shown that the reshaping method and its filtering characteristics can be reproduced by a Brillouin amplifier operating in the linear regime to achieve zero-broadening optical pulse delay as well. Optical storage can also be realized by subsampling the signal spectrum with a Brillouin based comb filter. The maximum storage time there is limited by the natural Brillouin gain bandwidth. This value depends on the pump and signal power, the temperature of the environment, mechanical strain and the fiber material. The superposition of a saturating frequency domain aperture to the signal of interest can be used to reduce the Brillouin gain bandwidth to almost any value. The Brillouin gain is supposed to be saturated in the spectral region of the aperture and it is not affected inside the aperture's gap. Based on this method, a bandwidth reduction of approximately one order of magnitude is proven experimentally. But, there could be a theoretical potential to reduce the gain bandwidth by several orders of magnitude. KW - Nichtlineare Optik KW - Brillouin-Streuung KW - Nichtlineare Optik KW - Stimulierte Brillouin-Streuung KW - Slow-Light KW - Nonlinear optics KW - Stimulated Brillouin scattering KW - Slow light Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29577 ER - TY - THES A1 - Schmidtbauer, Jan T1 - MBE growth and characterization of germanium nanowires T1 - MBE-Wachstum und Charakterisierung von Germanium-Nanodrähten N2 - Semiconductor nanowires, also called nanorods or nanowhiskers, are of particular interest for various applications in nanotechnology. Especially, germanium as a CMOS compatible material with its good electronic properties has gained renewed interest in recent years due to the availability of modern gate dielectrics. The present work deals with the vapor-liquid-solid growth of germanium nanowires and their characterization. The Growth has been carried out by means of molecular beam epitaxy using differently oriented germanium and silicon substrates whereas gold has been used to create metal catalyst droplets with radii of typically 100 nm and below. All stages from the substrate preparation to the final growth have been investigated in the frame of this work to find significant control parameters that influence the growth result. The droplet formation by means of gold evaporation onto the heated substrates has been investigated extensively on different substrates and for different surface preparations to identify parameters that are crucial for the resulting size distribution. Thereby sticking effects of the droplet circumference turned out to influence the radius distribution significantly. Germanium nanowires have been observed to grow preferentially along the <011> crystallographic directions on all utilized substrate orientations leading to defined possible inclinations of the wires with respect to the substrate normal. In contrast to the faceting known from silicon wires, the sidewalls mainly exhibit four flat {111} facets whereas the tip is roof shaped consisting of another two {111} facets. Different models which describe the inclined growth are presented and discussed. Furthermore, the material transport during the growth has been investigated. The nanowire length was found to be up to eight times larger than the nominal layer thickness according to the total amount of deposited germanium which is explained by surface diffusion towards the nanowires. The diffusion dominated growth regime was confirmed by length-radius-plot showing a decrease of the nanowire length at increasing radii. A temperature dependent diffusion model has been utilized to describe the observed nanowire length as a function of the substrate temperature. Beside conventional nanowires, so-called in-plane nanowires which grow along the substrate surface have been studied. Like their vertically growing counterparts, they also tend to grow along <011> in-plane directions which is particularly distinct on Ge(011) substrates. However, the fraction of nanowires which are aligned along <011> is influenced by substrate imperfections which was intentionally affected by means of wet-chemical substrate preparation. In addition to the nanowire growth, techniques for selective catalyst removal as well as for nanowire embedding in an insulating, transparent matrix have been established which can be important prerequisites for further nanowire processing in terms of electric or optoelectronic applications. N2 - Halbleitende Nanodrähte, auch Nanosäulen oder Nanowhisker genannt, sind wegen vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie von hohem Interesse. Das gilt insbesondere für Germanium mit seinen guten elektronischen Eigenschaften, welches in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Ein wesentlicher Grund hierfür ist seine Verwendbarkeit in der CMOS Technologie durch die Entwicklung moderner Gate-Isolationsschichten. Die vorliegende Arbeit behandelt das Wachstum von Germanium Nanodrähten nach dem vapor-liquid-solid-Mechanismus (gasförmig-flüssig-fest) und deren Charakterisierung. Als metallisches Lösungsmittel zur Erzeugung von Tröpfchen mit Radien im Bereich von 100 nm und kleiner wurde Gold verwendet. Von der Substratpreparation bis zum Wachstum wurden alle Phasen der Herstellung von Nanodrähten untersucht, um die wesentlichen Parameter zu finden, welche wichtige Kenngrößen wie die Wachstumsrate oder den Radius der Nanostrukturen beeinflussen. Ein Schwerpunkt der Untersuchung ist die Bildung von Tröpfchen und deren Größenverteilung als Funktion der Temperatur auf verschiedenen Substraten sowie in Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächenvorbehandlungen. Das Wachstum der Nanosäulen erfolgt auf allen verwendeten Substratorientierungen bevorzugt in den <011>-Richtungen, was zu bestimmten Neigungswinkeln der Nanodrähte bezüglich der Substratnormalen führt. Anders als es von Silizium-Nanodrähten bekannt ist, weisen in <011>-Richtung gewachsene Germaniumdrähte vier {111}-Seitenfacetten auf und eine dachförmige Spitze, die aus zwei weiteren {111}-Facetten besteht. Das bevorzugte Wachstum in <011>-Richtungen wird anhand verschiedener Modelle diskutiert. Darüber hinaus wurde die Wachstumsrate der Nanowhisker unter Berücksichtigung des Stofftransportes untersucht. Es zeigt sich, dass die Oberflächendiffusion der Germaniumatome den entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate der Nanodrähte hat. In einem entsprechenden Längen-Radius-Diagram ist ein diffusionslimitiertes Wachstumsregime ersichtlich. Die untersuchten Nanodrähte waren bis zu acht mal länger als die nominelle Schichtdicke, welche der Menge an deponiertem Germanium entspricht, was durch den diffusiven Stofftransport zum Wachstumsort an der Spitze der Nanodrähte erklärt werden kann. Die Wachstumsrate als Funktion der Temperatur konnte mit Hilfe der Temperaturabhängigkeit der Diffusionslänge im Rahmen eines einfachen Diffusionsmodels berechnet werden. Neben konventionellen Nanowhiskern wurden so genannte In-plane-Nanodrähte untersucht, welche innerhalb der Substratebene wachsen. Ähnlich wie vertikale Nanodrähte weisen diese bevorzugte, azimutale <011>-Richtungen, was auf Ge(011) Substraten besonders ausgeprägt ist. Der Anteil an In-pane-Nanodrähten, welche entlang der bevorzugten Richtungen wachsen, ist abhängig von Defekten in der Substratoberfläche, wie zum Beispiel der Rauigkeit und konnte gezielt durch nasschemische Vorbehandlung beeinflusst werden. Diese Befunde können bei gerichtetem Wachstum von Nanodrähten entlang von Oberflächen von Bedeutung sein, was in der Literatur auch als Guided Growth bezeichnet wird. Zusätzlich zu Wachstumsuntersuchungen wurden Methoden getestet, um Goldtröpfchen nasschemisch bei möglichst geringem Ätzangriff von Germanium-Nanostrukturen zu entfernen. Darüber hinaus wurden Nanostrukturen mittels Spin-Coating in eine elektrisch isolierende und transparente Matrix eingebettet. Für zukünftige Anwendungen können beide Arbeitsschritte eine wichtige Rolle spielen. KW - Nanodraht KW - Germanium KW - Molekularstrahlepitaxie KW - Nanodrähte KW - Molekularstrahlepitaxie KW - Germanium KW - Oberflächendiffusion KW - Nanostrukturen KW - Nanowire KW - Molecular beam epitaxy KW - Germanium KW - Surface diffusion KW - Nucleation KW - Nanostructures Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28660 ER - TY - THES A1 - Klossek, André T1 - Optical characterization of thin-film Si solar cells and knowledge transfer from bulk mc-Si T1 - Optische Charakterisierung von Dünnschicht Si Solarzellen und Wissenstransfer von Volumen mc-Si N2 - The aim of this work is to establish tools for optical characterization of defects in thin-film silicon solar cells. This is related to a challenging process of setup adjustments and careful interpretation of the measured raw data because of several artifacts and effects, which are typical for thin films. They are caused by the low layer/sample thickness and the related high impact of interfaces. Therefore, different thin-film samples were investigated to establish a process to correct/minimize these thin-film effects. The possibility of a knowledge transfer from mc-Si wafers with bulk thickness to thin Si films was checked. This would simplify a successful interpretation of the corrected data. Defects in mc-Si were investigated for many decades without the parasitic impact of thin films. Other Si phases, which are limited to thin-film samples, were investigated to learn details about their specific physical properties. These Si phases are amorphous and microcrystalline silicon. Additional to that electroluminescence investigations were performed on mc-Si solar cells. These investigation deals with topics, which are not even understood on bulk materials up to now. This could offer a basic for further knowledge transfers to thin-film Si. N2 - Das Ziel dieser Arbeit ist es, Werkzeuge für die optische Charakterisierung von Defekten in Dünnschicht Silizium Solarzellen zu etablieren. Das ist mit einem anspruchsvollen Prozess von Setupanpassungen und vorsichtigen Interpretationen der gemessenen Rohdaten verbunden, aufgrund verschiedener Artefakte und Effekte, die typisch für dünne Schichten sind. Diese werden durch die geringe Schicht-/Probendicke und den damit verbundenen hohen Einfluss von Grenzschichten verursacht. Deshalb wurden verschieden Dünnschichtproben untersucht um einen Prozess zu etablieren der es erlaubt diese Dünnschichteffekten zu korrigieren/vermeiden. Die Möglichkeit eines Wissenstransfers von mc-Si Wafern mit Volumendicke zu dünnen Si Filmen wurde geprüft. Dies würde eine erfolgreiche Interpretation der korrigierten Daten vereinfachen. Defekte in mc-Si wurden seit mehreren Jahrzehnten ohne den störenden Einfluss der dünnen Schichten untersucht. Andere Siliziumphasen, die auf Dünnschichtproben begrenzt sind, wurden untersucht um etwas über deren spezifische physikalische Eigenschaften zu lernen. Diese Siliziumphasen sind amorphes und mikrokristallines Silizium. Zusätzlich dazu wurden Elektrolumineszenzuntersuchungen an mc-Si Solarzellen durchgeführt. Diese Untersuchungen befassen sich mit Themen, die bisher noch nicht mal in Volumenmaterial verstanden sind. Das könnte eine Basis für weiterführende Wissenstransfers zu Dünnschichtsilizium bieten. KW - Dünnschichtsolarzelle KW - Photolumineszenz KW - Dünnschicht Solarzellen KW - Optische Charakterisierung KW - Photolumineszenz KW - Thin-film solar cells KW - Optical characterization KW - Photoluminescence Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29350 ER - TY - THES A1 - Mai, Andreas T1 - Integration von LDMOS-Transistoren für Hochfrequenzanwendungen in eine 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-Technologie T1 - Integration of LDMOS-transistors for high frequency applications in a 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-technology N2 - Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Entwicklung von MOS-Transistoren mit lateral erweitertem Drainanschluss (LDMOS) und deren Integration in eine 0.13µm SiGe:C-BiCMOS-Technologie. In dieser Technologie stehen neben SiGe-Heterobipolartransistoren (HBT) auch komplementäre MOS Feldeffekttransistoren (MOSFET) für Betriebsspannungen von 1.2V und 3.3V sowie passive Bauelemente, wie z.B. integrierte Kondensatoren, Widerstände und Spulen, zur Verfügung. Die 0.13µm-BiCMOS-Technologie verbindet so die Vorteile eines skalierten CMOS-Prozesses, z.B. für Digitalschaltungen mit hohen Rechenleistungen, mit den sehr guten Hochfrequenzeigenschaften der SiGe-HBTs. Damit ermöglicht sie neuartige Anwendungen im Millimeterwellenbereich, wie z.B. in optischen Netzwerken mit Übertragungsraten über 100 Gb/s oder in drahtlosen Kommunikationssystemen. Die zusätzliche Integration von Hochvolt-MOSFETs, mit der sich diese Arbeit befasst, ermöglicht eine erweiterte Funktionalität der mittels der BiCMOS-Technologie herstellbaren Schaltkreise. In der Regel verlangt die Herstellung von Hochvolttransistoren in etablierten BiCMOS- oder CMOS-Umgebungen meist zusätzlichen Prozessaufwand zu den Standardabläufen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Integrationskonzepten die diesen technologischen Mehraufwand minimieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein Integrationskonzept entwickelt, welches die Herstellung komplementärer LDMOS-Transistoren erlaubt, d.h. LDMOS-Transistoren mit n-Kanal (NLDMOS) als auch p-Kanal (PLDMOS), und einen zusätzlichen Maskenschritt pro Transistortyp im Vergleich zum Basisprozess erfordert. Dabei wird speziell die Driftregion des NLDMOS-Transistors und insbesondere der Einfluss eines innerhalb der n-dotierten Driftregion realisierten p-dotierten Gebietes untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges Prinzip zur Realisierung von Hochvolttransistoren ohne zusätzlichen Prozessaufwand vorgestellt. Dabei wird die schwach dotierte Driftregion durch eine spezielle Kombination von Implantationen des Basis-CMOS-Prozesses hergestellt. Das vorgestellte Konzept wird so optimiert, dass es auch die Realisierung von komplementären Hochvolttransistoren erlaubt. Trotz des minimalen bzw. keines technologischen Mehraufwandes bei der Realisierung der komplementären Transistoren erzielen die Bauelemente Spitzenwerte in den Grenzfrequenzen bei den entsprechenden maximalen Betriebs- und Durchbruchspannungen für Si-basierte LDMOS-Transistoren. N2 - This thesis deals with the development of drain extended MOS-transistors (LDMOS) and their integration in a 0.13µm-SiGe:C-BiCMOS-technology. This technology offers SiGe-hetero bipolar transistors (HBT) and two types of complementary MOS transistors with an operating voltage of 1.2V and 3.3V as well as passive components as capacitors, inductors and resistances. For this reason the 0.13µm-BiCMOS-technology combines the advantages of a highly scaled CMOS-process with the excellent high frequency properties of the SiGe-HBTs. This enables novel mm-wave applications for instance in optical networks or for wireless communication systems. The additional integration of high voltage transistors in such a technology platform improves the functionality of the integrated circuits which were realized in this BiCMOS-technology. Usually the realization of high voltage devices requires additional process steps to the standard CMOS or BiCMOS flow. An essential goal of this work was the development of integration concepts which require less or even no additional process effort. The first part of the thesis describes an integration concept for complementary LDMOS-devices which requires only one additional mask step to the standard process. In particular the influence of a p-doped region located in the low doped n-drift region is investigated. The second part deals with an integration concept which requires even no additional process steps. This kind of LDMOS-devices uses the combination of standard CMOS implantations to form the low doped drift region. The optimization of this integration concept enables also the realization of complementary high voltage devices. Despite to the fact that the developed integration methods require less or even no additional process effort they offer cut-off frequencies at highest operating and breakdown voltages compared to state of the art silicon LDMOS devices. KW - CMOS-Schaltung KW - Digitale integrierte Schaltung KW - SiGe-BICMOS KW - LDMOS-Transistoren KW - High-voltage KW - Si-LDMOS KW - Radio frequency KW - SiGe-BiCMOS Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-20740 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 - Melnik, Nauka T1 - Untersuchung des Strahlungsdrucks auf dünne Folien unter Weltraumbedingungen T1 - Investigation of radiation pressure on thin foils under space conditions N2 - Trifft elektromagnetische Strahlung auf einen Körper, geben die Photonen ihren Impuls ab, bei einer idealen Reflexion sogar den doppelten Impuls. Auf die Oberfläche des bestrahlten Körpers wird somit eine Kraft ausgeübt. Dieser Strahlungsdruck ist extrem gering, jedoch ergeben sich unter speziellen Bedingungen, wie bei einer Anwendung im luftleeren Raum des Weltalls, konkrete effektive Einsatzbereiche. Die Anwendung des Strahlungsdrucks als Antriebsmittel im Bereich der Raumfahrt ist der Ausgangspunkt folgender Dissertation. Großflächige reflektierende Folien können den Strahlungsdruck der Sonne als spezielles Antriebsmittel für Raumfahrzeuge, sogenannte Sonnensegler, nutzen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Analyse der Kraftwirkung durch sonnenähnliche Strahlung auf dünne, reflektierende Folien. Des Weiteren wird die Messeinrichtung durch verschiedene Messreihen verifiziert, auftretende Effekte werden charakterisiert. Die Messeinrichtung ist in einer Hochvakuumkammer installiert. Der Strahlungsdruck wird durch eine 1600W Xenon Lampe mit sonnenähnlichem Spektrum auf eine 7,5 µm dicke, mit Aluminium beschichtete Kaptonfolie ausgeübt. Die resultierende Krafteinwirkung auf die Folienoberfläche wird mittels einer Präzisionswaage gemessen. In mehreren Testreihen werden Folienproben unterschiedlichen Bestrahlungsstärken ausgesetzt. Die experimentell ermittelten Messdaten bestätigen die theoretisch berechneten Werte des Strahlungsdrucks. Darüber hinaus zeigt sich im Verlauf der Experimente ein bisher unbeachteter Effekt. An der Folienoberfläche haften unter Atmosphäre Wassermolekülschichten, welche im Vakuum zunächst an der Folie haften bleiben. Diese Moleküle werden erst bei Bestrahlung von der Oberfläche desorbiert. Der Impuls durch die entweichenden Moleküle ist um ein Vielfaches größer als der Impuls der Photonen. Dieser Effekt beeinträchtigt die Strahlungsdruckmessung. Um die störenden Einflüsse zu eliminieren, sind in einer Testprozedur Randbedingungen definiert worden. N2 - Photons of electromagnetic radiation transfer their momentum on bodies; an ideally reflecting surface doubles the value of the momentum. Thus, a force is acting on the radiated surface of that body. The value of this radiation pressure is rather small, but under special condition, like use in exhausted outer space, there is real effective range of application. The initial point of this thesis is the application of radiation pressure as space propulsion. Large areas of reflective thin films can use the solar radiation pressure for a special type of propulsion in spacecraft applications like the so-called solar sails. The object of this thesis is to develop a measuring facility for analysis the acting force on thin reflective foils by solar like radiation. Furthermore, the facility will be verified by series of measurements, occurring effects will be characterized. This measuring system will be built up and operate in a vacuum chamber. A 1600W Xenon lamp with an AM0 spectrum will illuminate a 7.5 µm thick kapton foil coated with aluminum. A high precision balance measures the acting force on foil surface. In different measurement sequences foil samples are irradiated at different energy fluxes. The measured values correspond to the theoretical value of radiation pressure. Also, in the experiment appears a so far disregarded effect. Under atmosphere and still in vacuum water molecules adhere to the foil surface. These molecules desorb due to first strike of the radiation. The momentum by desorbing molecules is much higher than the momentum of photons. This influence affects radiation pressure measurement. Therefore, relevant boundary conditions are defined in a test procedure to eliminate disturbing influences. KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Präzisionswaage KW - Desorption KW - Radiation pressure KW - Solar sailing KW - High precision balance KW - Desorption KW - Strahlungsdruck KW - Sonnensegel KW - Extraterrestrische Physik Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-45847 ER - TY - THES A1 - Varlamova, Olga T1 - Self-organized surface patterns originating from femtosecond laser-induced instability T1 - Selbstorganisierte Bildung von periodischen Oberflächenstrukturen nach Femtosekundenlaser-Induzierter Instabilität N2 - The phenomenon of laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ripples, generated by near-infrared radiation with the central wavelength around 800 nanometer (λlaser ≈ 800 nm) and pulse duration about of 100 femtosecond (τpulse ≈ 100 fs) on solid targets is considered in this dissertation. The main aim of the work is a better understanding of the fundamental processes of laser-matter interaction resulting in pattern formation by femtosecond (fs) laser ablation. The problem is of great interest both in fundamental and applied science. The knowledge of the underlying physical mechanisms will provide the opportunity to control surface nanostructuring, which has a big application potential in many modern technologies. Femtosecond LIPSS observed at the bottom of ablation crater reveal a large variety of features including nanostructures with periods below 100 nm. Moreover, the ripple size depends mainly on the irradiation dose/absorbed laser energy and is rather insensitive to the variation of laser wavelength or incidence angle. The orientation of the structures is dictated by laser polarization. All these experimental observations and an astounding similarity of the structures to other patterns originating from instabilities led to the idea to attribute the femtosecond laser nanostructuring to a self-organized pattern formation from laser-induced surface instability. In this dissertation, surface pattern formation upon femtosecond laser ablation is considered in the framework of an adopted surface erosion model, based on the description of spontaneous pattern formation on surfaces bombarded with high-energy ions. We exploit the similarity to ion-beam sputtering and extend a corresponding model for laser ablation by including laser polarization. It has been found that an asymmetry in the deposition and dissipation of the incident laser energy, related to the laser polarization, results in a corresponding dependence of coefficients in a nonlinear equation of the Kuramoto-Sivashinsky type. The surface morphologies calculated in the framework of this model for different configurations of the incident laser electric field show an excellent qualitative agreement with structures observed in ultra-short pulse ablation experiments. In this work, properties of the periodic surface structures induced upon femtosecond laser ablation are studied in detail, focusing on a systematic investigation of the main control parameters regulating the pattern formation process. The results support the non-linear self-organization mechanism of pattern formation from laser-induced surface instability. N2 - Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Phänomen der Laser-Induzierten Periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS, Ripples), erzeugt bei der Ablation durch ultrakurze Lichtimpulsen mit ≈100 fs Dauer (τPuls ≈ 100 fs) und einer Wellenlänge von 800 nm (λLaser ≈ 800 nm) an unterschiedlichen Targetmaterialien. Das wesentliche Ziel der Arbeit bestand darin, die fundamentale Physik der Oberflächenstrukturierung bei der Femtosekundenlaserablation besser zu verstehen. Das Problem ist von großer Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung als auch in der angewandten Wissenschaft. Die Kenntnis der physikalischen Mechanismen hilft, die Nanostrukturierung von Oberflächen zu kontrollieren, die ein großes Anwendungspotenzial in vielen modernen Technologien bietet. Femtosekunden LIPSS am Boden des Ablationskraters präsentieren eine große Vielfalt von Strukturen bis hin zu einer Periodizität kleiner als 100 nm. Die Größe der Strukturen hängt hauptsächlich von der Bestrahlungsdosis/absorbierten Laserenergie ab, und ist nicht von der Wellenlänge oder dem Einfallswinkel des Laserstrahls beeinflusst. Die Orientierung der Ripples ist mit der Polarisation der Laserpulse verknüpft. Alle diese experimentelle Beobachtungen und eine erstaunliche Ähnlichkeit der Strukturen zu anderen Mustern, die aus Instabilitäten entstehen, haben zur Idee geführt, die Entwicklung der Nanostrukturen im Rahmen einer Oberflächenselbstorganisation aus einer laserinduzierten Instabilität zu erklären. In der Arbeit wird die Entwicklung der periodischen Oberflächenstrukturen bei Femtosekundenlaserablation im Rahmen eines adoptierten Oberflächenerosionsmodels betrachtet. Unser theoretischer Ansatz basiert auf dem Modell für die Entwicklung von selbstorganisierten Oberflächenstrukturen beim hochenergetischen Ionenstrahl-Sputtern. Unsere Erweiterung des Modells berücksichtigt den Einfluss polarisierter Laserstrahlung. Es wird gezeigt, dass die Laserpolarisation eine Asymmetrie in der Verteilung der absorbierten Laserenergie verursachen kann, die auf eine entsprechende Abhängigkeit von Koeffizienten in einer Kuramoto-Sivashinsky Gleichung hinausläuft. Die numerisch berechneten Oberflächenmorphologien zeigen eine ausgezeichnete qualitative Übereinstimmung mit dem Experiment. Das experimentelle Teil der Dissertation präsentiert eine detaillierte Messung der Eigenschaften der laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Untersuchung der Parameter die kontrollieren die Bildung/Entwicklung der Nanostrukturen. Die zahlreiche Daten aus Ablations-Experimenten unterstützen den nichtlinearen Charakter der Selbstorganisation bei der laser-induzierten Strukturbildung. KW - Oberflächenstruktur KW - Mikromechanik KW - Laserablation KW - Ultrakurzzeitlaser KW - Femtosekundenlaserablation KW - Laser-induzierte Oberflächenstrukturierung KW - Ripples KW - Selbstorganisierte Strukturbildung KW - Femtosecond laser ablation KW - Laser-induced surface patterning KW - Ripples KW - Selforganized pattern formation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29530 SN - 978-3-95404-604-1 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 - TY - THES A1 - Costache, Florenta T1 - Dynamics of ultra-short laser pulse interaction with solids at the origin of nanoscale surface modification T1 - Die Dynamik der Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit Festkörpern als Ursache von nanoskaliger Oberflächenmodifikation N2 - This thesis addresses fundamental physical processes which take place at the surface region of a target during and after the interaction with ultra-short laser pulses. The general goal is to bring together different phenomena and discuss the non-equilibrium nature of the interaction of femtosecond laser pulses (tp < 100 fs) with various materials, in particular dielectrics and semiconductors. Different experiments, using various techniques, are designed to explore the basic mechanisms of laser ionization, defect creation, electron-lattice energetic transfer, charged particles desorption, optical breakdown, phase transformations and surface morphological changes. Such processes are shown to depend strongly on the laser intensity. Thus, they are analyzed for intensities over four orders of magnitude (10^11-10^14 W/cm2), around the surface optical breakdown (damage) threshold intensity. First, experimental studies using time-of-flight mass spectrometry indicate that non-resonant intense ultra-short laser pulses can efficiently ionize a dielectric (semiconducting) material leading to emission of electrons as well as charged particles, i.e. atomic ions and large clusters, and neutral particles. Under these irradiation conditions, the ionization processes can be at best described by multiphoton ionization and ionization at defects sites. The structural defects provide the means for an increased positive ion desorption rate. A multiple pulse incubation effect in the ion yield can be well related with the reduction of the multi-pulse damage threshold with increasing intensity. Following the initial electron excitation and emission, positive ions are released from the surface in a substantial amount with high ion velocities indicative of a localized microscopic electrostatic expulsion. With increasing intensity, the amount of ions gets larger and larger and their velocity distribution exhibits a bimodal structure. Also, in these conditions, negative ions are detected. The ion desorption can arise from a combination of a localized electrostatic repulsion (macroscopic Coulomb explosion) and a thermal ‘explosive’ mechanism. The later becomes more important with increasing intensity. The very fast energy input and particle emission result in a transient perturbation and deformation of the target lattice. Using pump-probe experiments the temporal evolution of lattice dynamics can be analyzed upon single-pulse excitation for many different target materials. This deformation is indicated to be a material characteristic. It is associated with the generation of transient defects in dielectrics or fast phase transitions in semiconductors and metals. Therefore, it could well give estimates of lifetime of transient defect states or electron-phonon relaxation times.At last the surface morphology after ablation is analyzed, with emphasis on the laser-induced surface periodic patterns (ripples). The patterns observed appear to be very different from the ‘classical’ ripples formed after long pulse ablation. They can have periods much smaller than the incident wavelength and are rather insensitive to the variation of the laser wavelength and angle of incidence. We show that control factors are laser beam polarization and the irradiation dose. Additionally, the patterns exhibit features pointing toward a chaotic origin. Their possible formation mechanism is likely linked with the non-equilibrium nature of the interaction. N2 - Diese Dissertation befasst sich mit den grundlegenden physikalischen Prozessen, die im Oberflächenbereich eines Materials während und nach der Wechselwirkung mit ultra-kurzen Laser Pulsen stattfinden. Es ist das wesentliche Ziel der Arbeit unterschiedliche Phänomene zu vereinen und zu zeigen, dass die Wechselwirkung von Femtosekunden-Laserpulsen (tp < 100 fs) mit unterschiedlichen Materialien, insbesondere Dielektrika und Halbleiter, fern vom thermischen Gleichgewicht stattfindet. Verschiedene Experimente, die unterschiedliche Techniken nutzen, werden entwickelt um die grundlegenden Mechanismen für Laserionisation, Defekterzeugung, Elektron-Gitter Energieaustausch, die Desorption von geladenen Teilchen, den optischen Durchbruch, Phasen-Transformationen und Änderungen der Oberflächenmorphologie zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass solche Prozesse sehr stark von der Laserintensität abhängen. Daher werden sie in einem Intensitätsbereich von vier Größenordnungen (10^11-10^14 W/cm2) um die Schwelle für den optischen Durchbruch an der Oberfläche (Zerstörungsschwelle) studiert. Experimente mit Flugzeit-Massenspektrometrie zeigen, dass nichtresonante, intensive ultra-kurze Laserpulse ein Dielektrikum (Halbleiter) sehr effizient ionisieren können. Neben Elektronen werden auch schwere geladene Teilchen emittiert, d.h. atomare Ionen und große Clusterionen, sowie Neutralteilchen. Der Ionisationsprozess kann hier am besten beschrieben werden als Mehrphotonen-Ionisation und Ionisation von Defekten. Strukturdefekte bewerken eine erhöhte Desorption von positiven Ionen. Daher gibt es einen Effekt der Multi-Puls Inkubation für die Ionenausbeute, der auf einer Reduzierung der Zerstörungsschwelle beruht und stark von der Intensität abhängt. Als Folge der Anregung und Emission von Elektronen verlassen positive Ionen in beträchtlicher Zahl mit hoher Geschwindigkeit der Oberfläche. Dies deutet auf eine lokale mikroskopische elektrostatische Abstoßung hin. Mit zunehmender Intensität wächst die Zahl der Ionen stark an, und ihre Geschwindigkeits-Verteilung entwickelt eine bimodale Struktur. Jetzt können auch negative Ionen nachgewiesen werden. Die Ionen-Desorption kann hier auf einer Kombination von einer lokalen elektrostatischen Abstoßung (Coulomb Explosion) und einem thermischen Explosions-Mechanismus beruhen. Dieser wird mit wachsender Intensität zunehmend wichtiger. Da der Energie-Eintrag und die Teilchen-Emission sehr schnell erfolgen, entsteht eine transiente Störung und Deformation des Gitters der Probe. Mit Pump-Probe Experimenten kann die zeitliche Entwicklung der Gitterdynamik nach Einzelpuls-Anregung für viele unterschiedliche Materialien untersucht werden. Die Gitterdeformation ist offensichtlich Material-spezifisch. Sie ist verknüpft mit der Erzeugung von transienten Defekten in Dielektrika oder schnellen Phasenübergängen in Halbleitern und Metallen. Daher können solche Experimente eine gute Abschätzung liefern für die Lebensdauer von transienten Defektzuständen oder für Elektron-Phonon-Relaxationszeiten. Schließlich wird die Oberflächenmorphologie der Probe nach der Ablation studiert, insbesondere werden Laser-Induzierte Periodische Strukturen (Ripples) beobachtet, die offensichtlich sehr verschieden sind von ‚klassischen’ Ripples nach der Ablation mit langen Pulsen. Ihre Periodizität ist viel kleiner als die einfallende Wellenlänge, und es wird kein großer Einfluss von Wellenlänge und Einfallswinkel beobachtet. Wir zeigen, dass eher Laserpolarisation und Bestrahlungsdosis wichtig sind. Außerdem zeigen die Muster Eigenschaften, die auf eine Selbstorganisation hindeuten. KW - Ultrakurzer Lichtimpuls KW - Nanostruktur KW - Oberflächenstruktur KW - Ultra-kurze Laser Pulse KW - Flugzeit-Massenspektrometrie KW - Teilchen-Emission KW - Ultraschnelle Gitterdynamik KW - Ripples KW - Femtosecond laser pulses KW - Time-of-Flight mass spectrometry KW - Particle emission kinetics KW - Ultrafast lattice dynamics KW - Ripples Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-3674 SN - 978-3-8322-6465-9 ER - TY - THES A1 - Zwierz, Radoslaw T1 - Plasma enhanced growth of GaN single crystalline layers from vapour phase T1 - Plasmaunterstützte Züchtung von einkristallinen GaN-Schichten aus der Gasphase N2 - Gallium nitride (GaN) is a III-V semiconductor, characterized by direct, wide band gap of 3.4 eV at RT. As a material of particular interest for opto- and power electronics applications, it has been thoroughly studied in recent years. Utilization of GaN homoepitaxy in manufacturing of laser diodes (LDs), light-emitting diodes (LEDs), power devices, etc. would be beneficial in terms of reducing defect density, thus improving their lifetime and performance. Yet cost-effective process for providing native GaN substrates has not been established so far. The focus of this work is put on development of a new method to grow single crystalline GaN layers from Ga vapour. Our approach exploits microwave (MW) plasma as a source of excited nitrogen species, in contrast to classical physical vapour transport (PVT)-based technique, in which ammonia (NH3) serves as a source of reactive nitrogen. Novelty of MW plasma enhanced growth of GaN from vapour lies in MW nitrogen plasma formation in the vicinity of the seed, at moderate pressure (200 – 800 mbar range), and concurrent physical vapour transport of Ga to the growth zone. Simulations of the growth setup (HEpiGaN software) and of the MW plasma source (CST Microwave software) have followed the extensive investigations of material properties. The growth setup and the MW plasma source, with the resonance cavity being its crucial part, have been constructed and implemented into the existing growth reactor. The stability of MW plasma in function of temperature and pressure has been studied along with its influence on the seed temperature, and thus on the growth conditions. Furthermore, optical emission spectroscopy (OES) has been utilized for in-situ characterization of the growth atmosphere. Studies on the interaction of Ga vapour with the nitrogen discharge were interpreted on the basis of the level structure of lower excited states of Ga. Deposition experiments have been conducted, using sapphire seeds, GaN, AlN and AlGaN templates, while GaN single crystalline layers have been grown on sapphire and GaN templates. Characterization of GaN layers have been done by various methods, i.e. structure of layers by scanning electron microscopy (SEM), their composition by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and secondary ion mass spectrometry (SIMS), and crystal quality by high resolution X-ray diffraction (HRXRD). Results of the characterization together with outcome of OES measurements revealed importance of carbon for the sub-atmospheric MW plasma enhanced growth of GaN from vapour. In addition, this fact was confirmed by experiments in the setup with reduced carbon content. Possible routes for GaN synthesis have been discussed, with the most probable being CN-assisted GaN formation. While CN was detected in the plasma spectra, there was no evidence for the existence of GaN molecules in vapour phase. N2 - Galliumnitrid (GaN) ist ein III-V-Halbleiter, der durch seine direkte, breite Bandlücke von 3.4 eV bei Raumtemperatur gekennzeichnet ist. Als Material von besonderem Interesse für Anwendungen in der Opto- und Leistungselektronik, wurde es in den letzten Jahren umfangreich untersucht. Die Verwendung der GaN-Homoepitaxie in der Herstellung von Laserdioden (LDs), Leuchtdioden (LEDs), Leistungsbauelementen etc. wäre günstig bezüglich der Verringerung die Defektdichte, um ihre Lebensdauer und Leistung zu verbessern. Ein kostengünstiges Verfahren zur Bereitstellung von GaN-Eigensubstraten wurde jedoch bisher nicht etabliert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Züchtungsmethode um einkristalline GaN-Schichten herzustellen. Unsere Vorgehensweise nutzt Mikrowellen (MW)-Plasma als Quelle angeregter Stickstoff-Spezies, im Gegensatz zu dem klassischen physikalischen Gasphasentransport (PVT) basierten Verfahren, in dem Ammoniak (NH3) als Quelle für reaktiven Stickstoff dient. Die Neuheit des MW-Plasmas gestützten Wachstums von GaN aus Gallium(Ga)-Dampf liegt in der MW-Plasmaerzeugung in der Nähe des Keims bei mittlerem Druck (200 - 800 mbar) und gleichzeitigen physikalischen Transport von Ga-Dampf in die Wachstumszone. Den Simulationen des Aufbaus (HEpiGaN Software) und der MW-Plasmaquelle (CST Microwave Software) folgten die umfangreichen Untersuchungen der Materialeigenschaften. Der Aufbau und die MW-Plasmaquelle, die als wesentliche Komponente den Hohlraumresonator enthält, wurden konstruiert und in den vorhandenen Wachstumsreaktor implementiert. Die Stabilität des MW-Plasmas als Funktion von Temperatur und Druck wurde zugleich mit ihrem Einfluss auf die Keimtemperatur und damit auf die Wachstumsbedingungen untersucht. Außerdem wurde die Optische Emissionsspektrometrie (OES) zur in-situ Charakterisierung der Wachstums-Atmosphäre verwendet. Die Wechselwirkung des Ga-Dampfes mit der Stickstoffentladung wurde auf der Basis der Energieniveau-Struktur der unteren angeregten Ga-Zustände interpretiert. Die Abscheidungs-Experimente wurden unter Verwendung von Saphir-Keimsubstraten, GaN- , AlN- und AlGaN–Templates durchgeführt. Die GaN-Schichten wurden auf Saphir-Keimsubstraten und auf GaN-Templates gewachsen und mit verschiedenen Methoden charakterisiert: die Struktur mit der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die Zusammensetzung mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und die Kristallqualität mit der hochauflösenden Röntgenstrukturanalyse (HRXRD). Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigten zusammen mit den Resultaten der OES-Messungen die Bedeutung von Kohlenstoff für das MW-Plasma gestützte, subatmosphärische Wachstum von GaN aus der Gasphase. Zusätzlich wurden sie durch die Experimente im Aufbau mit reduziertem Kohlenstoffgehalt bestätigt. Mögliche Wege der GaN-Synthese wurden diskutiert, wobei die CN-unterstützte GaN-Bildung der wahrscheinlichste ist. Während CN in den Plasmaspektren nachgewiesen wurde, gab es keine Beweise für die Existenz von GaN-Molekülen in der Dampfphase. KW - GaN KW - Vapour growth KW - Microwave plasma KW - Züchtung aus der Gasphase KW - Plasma KW - Galliumnitrid KW - Gasphase KW - Plasma Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30710 ER - TY - JOUR A1 - Han, Weijia A1 - Reiter, Sebastian A1 - Schlipf, Jon A1 - Mai, Christian A1 - Spirito, Davide A1 - Jose, Josmy A1 - Wenger, Christian A1 - Fischer, Inga A. T1 - Strongly enhanced sensitivities of CMOS compatible plasmonic titanium nitride nanohole arrays for refractive index sensing under oblique incidence T1 - Stark verbesserte Empfindlichkeit von CMOS-kompatiblen plasmonischen Titannitrid-Nanoloch-Arrays für die Brechungsindex-Messungen unter nicht-senkrechtem Lichteinfall JF - Optics Express N2 - Titanium nitride (TiN) is a complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible material with large potential for the fabrication of plasmonic structures suited for device integration. However, the comparatively large optical losses can be detrimental for application. This work reports a CMOS compatible TiN nanohole array (NHA) on top of a multilayer stack for potential use in integrated refractive index sensing with high sensitivities at wavelengths between 800 and 1500 nm. The stack, consisting of the TiN NHA on a silicon dioxide (SiO2) layer with Si as substrate (TiN NHA/SiO2/Si), is prepared using an industrial CMOS compatible process. The TiN NHA/SiO2/Si shows Fano resonances in reflectance spectra under oblique excitation, which are well reproduced by simulation using both finite difference time domain (FDTD) and rigorous coupled-wave analysis (RCWA) methods. The sensitivities derived from spectroscopic characterizations increase with the increasing incident angle and match well with the simulated sensitivities. Our systematic simulation-based investigation of the sensitivity of the TiN NHA/SiO2/Si stack under varied conditions reveals that very large sensitivities up to 2305 nm per refractive index unit (nm RIU−1) are predicted when the refractive index of superstrate is similar to that of the SiO2 layer. We analyze in detail how the interplay between plasmonic and photonic resonances such as surface plasmon polaritons (SPPs), localized surface plasmon resonances (LSPRs), Rayleigh Anomalies (RAs), and photonic microcavity modes (Fabry-Pérot resonances) contributes to this result. This work not only reveals the tunability of TiN nanostructures for plasmonic applications but also paves the way to explore efficient devices for sensing in broad conditions. N2 - Titannitrid (TiN) ist ein CMOS-kompatibles Material mit großem Potenzial für die Herstellung plasmonischer Strukturen, die sich für die Bauelementintegration eignen. Die vergleichsweise großen optischen Verluste können sich jedoch nachteilig auf die Anwendung auswirken. In dieser Arbeit wird ein CMOS-kompatibles TiN-Nanoloch-Array (NHA) auf einem Mehrschichtstapel vorgestellt, das für die integrierte Brechungsindexmessung mit hoher Empfindlichkeit bei Wellenlängen zwischen 800 und 1500 nm eingesetzt werden kann. Der Stapel, bestehend aus dem TiN NHA auf einer Siliziumdioxid (SiO2)-Schicht mit Si als Substrat (TiN NHA/SiO2/Si), wurde in einem industriellen CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt. Das TiN NHA/SiO2/Si zeigt Fano-Resonanzen in den Reflexionsspektren bei schrägem Einfallswinkel, die durch Simulationen sowohl mit Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethoden (FDTD) als auch Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) gut reproduziert werden. Die aus den spektroskopischen Charakterisierungen abgeleiteten Empfindlichkeiten nehmen mit zunehmendem Einfallswinkel zu und stimmen gut mit den simulierten Empfindlichkeiten überein. Unsere systematische simulationsbasierte Untersuchung der Empfindlichkeit des TiN NHA/SiO2/Si-Stapels unter verschiedenen Bedingungen zeigt, dass sehr große Empfindlichkeiten bis zu 2305 nm RIU-1 vorhergesagt werden, wenn der Brechungsindex des Dielektrikums oberhalb des NHAs ähnlich dem der SiO2-Schicht ist. Wir analysieren im Detail, wie das Zusammenspiel zwischen plasmonischen und photonischen Resonanzen wie Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs), lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs), Rayleigh-Anomalien (RAs) und photonischen Mikrokavitätsmoden (Fabry-Pérot-Resonanzen) zu diesem Ergebnis beiträgt. Diese Arbeit zeigt nicht nur die Abstimmbarkeit von TiN-Nanostrukturen für plasmonische Anwendungen, sondern ebnet auch den Weg für die Erforschung effizienter Geräte für die Erkennung unter verschiedensten Bedingungen. KW - TiN KW - Plasmonics KW - Plasmonik KW - Plasmonik KW - Photonik KW - Titannitrid KW - Plasmonics KW - Photonics Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.481993 SN - 1094-4087 VL - 31 IS - 11 SP - 17389 EP - 17407 PB - Optica Publishing Group CY - Washington, DC ER - TY - JOUR A1 - Oleynik, Paul A1 - Ryzhak, Diana A1 - Schlipf, Jon A1 - Alvarado Chavarin, Carlos A1 - Yamamoto, Yuji A1 - Berkmann, Fritz A1 - Ratzke, Markus A1 - Fischer, Inga Anita T1 - Influence of illumination conditions on photoluminescence enhancement in an Al/Si/Ge metasurface JF - Optics Express N2 - Strong field enhancement supported by metasurfaces at resonance can be used to control and enhance the spontaneous emission rate of emitters. This is particularly relevant for emitters with comparatively low quantum yield such as germanium. Here, we investigate the µ-photoluminescence response obtained from a hybrid metasurface comprising a square lattice of Al/Si/Ge pillars. We explore how variations in excitation energy, excitation intensity and number of excited meta-atoms affect the spectral dependence of the photoluminescence signal and, in particular, the contribution of the metasurface to it. Our metasurface exhibits a magnetic dipole collective lattice resonance, whose contribution to the photoluminescence signal increases with increasing number of excited meta-atoms. Measuring only one metasurface under different illumination conditions can potentially be an alternative approach to probe the transition between finite-size effects and collective effects. KW - Field enhancement KW - Germanium KW - Light emitting diodes KW - Photonic crystals KW - Quantum light sources KW - Scanning electron microscop Y1 - 2025 U6 - https://doi.org/10.1364/OE.577751 SN - 1094-4087 VL - 34 IS - 1 SP - 78 EP - 86 PB - Optica Publishing Group CY - Washington D.C. ER - TY - JOUR A1 - Sengül, Akant A1 - Reiter, Sebastian A1 - Lotfi, Zahra A1 - Efremenko, Julia A1 - Laroussi, Arwa A1 - Corley-Wiciak, Agnieszka Anna A1 - Ratzke, Markus A1 - Mirsky, Vladimir M. A1 - Wenger, Christian A1 - Fischer, Inga Anita T1 - Titanium nitride plasmonic nanohole arrays with polymer coating : optical properties and their humidity-induced modifications JF - Optical Materials Express N2 - The use of titanium nitride (TiN) for the fabrication of plasmonic structures such as nanohole arrays (NHAs) can enable their integration into optoelectronic devices on the silicon (Si) platform, for example, for the realization of on-chip chemical sensors and biosensors based on refractometric transduction. With a corresponding functionalization of the TiN nanohole arrays, these ultra-compact devices can be utilized in the development of various affinity sensors and sensor systems, such as cost-effective electronic noses for the early detection of gases in the food industry or agriculture. In this work, we focus on two types of coating for functionalization of TiN nanohole arrays: electrochemically synthesized poly-N-methylaniline and layer-by-layer deposited polyacrylic-acid/poly-allylamine (PAA/PAH). Our investigation comprises the experimental characterization of the optical properties of TiN nanhole arrays coated with polymer layers of different thicknesses as well as a comparison with simulation results. We demonstrate the potential of our setup sensing applications by measuring changes in optical properties of TiN nanohole arrays coated with PAA/PAH upon exposure to air of different humidity. KW - Chemical sensors KW - Extraordinary optical transmission KW - Localized surface plasmon resonance KW - Optical coatings KW - Optical properties KW - Refractive index Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72739 SN - 2159-3930 VL - 16 IS - 2 SP - 184 EP - 196 PB - Optica Publishing Group CY - Washington D.C. ER -