LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften
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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.