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Characterization of electrical and optical properties of silicon based materials

Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von Silizium-basierten Materialien

  • 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 roomIn 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.show moreshow less
  • 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) mitIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Guobin Jia
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-14030
Referee / Advisor:Prof. Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2009
Date of final exam:2009/12/04
Release Date:2010/01/25
Tag:Diffusionslänge in SOI-Schichten; Elektrische Leitfähigkeit; Infrarote Lumineszenz im Sub-bandgap-Bereich; Solarzellen; Versetzungsnetzwerk
Diffusion length in SOI layer; Dislocation network; Electrical conductivity; Solar cells; Sub-bandgap infrared luminescence from Si/SiOx interface
GND Keyword:Siliciumverbindungen; Werkstoffkunde; Silicium; Elektrische Eigenschaft; Optische Eigenschaft
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften
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