LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.