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Im ersten Teil untersuchen wir den phononischen Wärmetransport in nanoskaligen, heterogenen Strukturen. Mit Hilfe des Nichtgleichgewicht-Green-Funktionen-Formalismus leiten wir eine Entwicklung der phononischen Stromtransmission für kleine Frequenzen her. Diese besitzt Gültigkeit für eine beliebige Oszillatorkette, welche eine typische Kontakt-Device-Kontakt-Struktur aufweist. Wir nutzen die gefundene Entwicklung in der Landauer Darstellung der Wärmeleitfähigkeit, wodurch wir eine systematische Tieftemperaturentwicklung bestimmen können. Betrachtet man diese Entwicklung bis zur zweiten Ordnung, erscheint die quantisierte Wärmeleitfähigkeit als ein konstantes Plateau, in der Darstellung der Wärmeleitfähigkeit geteilt durch die Temperatur. Dies gilt für die von uns untersuchten Kontakt-Device-Kontakt-Systeme, welche vollständig heterogen sein können, insofern das Produkt aus Kopplungskonstante und Oszillatormasse in beiden Kontakten identisch ist. Dabei ist das Ergebnis vollkommen unabhängig vom Streugebiet. Im Anschluss an das Plateau gewinnen die höheren Ordnungen der Tieftemperaturentwicklung an Bedeutung und führen zu endlichen Temperaturkorrekturen, die einem kubischen Potenzgesetz gehorchen. Dieses Verhalten hängt von den strukturellen Details des Streugebiets ab und ist in Übereinstimmung mit dem Experiment und numerischen Berechnungen. Als Anwendung unserer allgemeinen Ergebnisse betrachten wir eine „Double Junction“-Kette und finden als erstes Phänomen nach unserer Tieftemperaturentwicklung ein zweites Plateau. Dieses Plateau steht in Verbindung mit einer phasengemittelten Phononentransmission, welche für steigende Temperaturen zu einer Unabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Device-Länge führt. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit werden diese Ergebnisse auf quasi-eindimensionale 3DSysteme in der Kontakt-Device-Kontakt-Struktur verallgemeinert. Dazu werden exemplarisch geeignete Kristallstrukturen identifiziert und anschließend für langwellige Phononen mathematisch analysiert. Für Temperaturen unterhalb eines kritischen Wertes TK sind die Ergebnisse des eindimensionalen Falls auf jede der akustischen Moden übertragbar. Daraus resultiert eine analoge Beschreibung und Diskussion des Tieftemperaturverhaltens der Wärmeleitung, wie wir sie im strikt eindimensionalen Fall vorfinden. Im zweiten Teil betrachten wir ein thermisches Modell integrierter Schaltkreise, unter Berücksichtigung der zugehörigen Chip-Umgebung. Als die einfachste Wahl, behandeln wir die aktive Schicht („Front End Of Line“) als ein Feld, bestehend aus identischen Quantenbauelementen mit der gleichen, von der Zeit abhängigen mittleren Temperatur. Um die Chip-Umgebung zu modellieren, setzen wir voraus, dass sich die aktive Schicht zwischen zwei planparallelen Wärmereservoirs befindet. Das obere Reservoir stellt dabei die Verdrahtungsschicht des Chips dar („Back End Of Line“). Die Temperatur dieser Schicht ist weitestgehend durch die in den Leitern dissipierte joulesche Wärme bestimmt und ist typischerweise in der Größenordnung von hundert Grad Celsius. Das untere Reservoir verkörpert die Kühleinheit, die sich ungefähr auf Raumtemperatur befindet. Wir lösen die gekoppelten Gleichungen, die auf der einen Seite den Wärmetransport zwischen der aktiven Schicht und den umgebenden Wärmereservoirs und auf der anderen Seite den elektrischen Transport im Quantenbauelement beschreiben. Daraus ergeben sich die Arbeitstemperaturen der betrachteten Quantenbauelemente, welche Lösungen eines Fixpunktproblems sind. Diese Temperaturen hängen von der Position der aktiven Schicht zwischen den beiden Wärmereservoirs ab. Die Stabilität der Fixpunkte lässt sich aus einer geeigneten Linearisierung der zeitabhängigen Gesamtlösung ableiten. Für ausgewählte Parameter und eine aktive Schicht aus identischen Nanotransistoren werden numerische Lösungen präsentiert.
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.