Aluminum-induced crystallization of semiconductor thin films

Abstract

Thin film materials of the semiconductors, such as silicon (Si), germanium (Ge) or their alloys, are turning into the most promising functional materials in the energy technology. However, the morphologies of these semiconductor thin films must be varied to be suitable for the different applications, e.g. a large-grained layer as the seed layer of thin film solar cells, a porous structure for anode materials of high energy rechargeable lithium (Li) ion batteries. Due to the collective interdiffusion process during the aluminum (Al)-induced crystallization, in this thesis, the suitable morphologies are achieved for the corresponding applications under the different fabrication conditions. A large-grained Si layer can be formed by the crystallization of Si in a porous Al layer, which is obtained by applying a bias voltage. Since the Al grain boundaries are contaminated by e.g. oxygen (O), the diffusion of Si in the Al grain boundaries is retarded. It can lead to a reduction of the nucleation density of Si. At a certain high temperature, a collective diffusion process of Si in Al is activated. Consequently, a large-grained Si layer with (100) texture can be formed. By purposely interrupting the annealing of nanocrystalline Al/amorphous Si (a-Si) bilayers, a porous structure of the crystallized Si can be developed due to the incomplete intermixing of Si and Al. Due to the different dominant diffusion processes of Si in Al at the different annealing temperatures, the most Si diffuses along the different paths in the Al layer, such as triple junction, grain boundary and Al bulk. Therefore, it can develop the different morphologies of the porous Si layers after the selectively etching of Al. By introducing an amorphous Ge interlayer between the crystalline Al and amorphous Si layer, the Al grain boundaries are not essential for the crystallization of the amorphous Si in contrast to the case in Al/Si bilayer system. Si crystallizes continuously on the pre-crystallized Ge seeds which form initially at the original interface of crystalline Al and amorphous Ge. The thermodynamic models to interpret the fundamentals of these different crystallization behaviors of Si are established based on the change of the interface energy between the different phases of the whole system during the crystallization. Using the effective diffusivity, the dominant diffusion process of Si in Al can be investigated to explore the morphological dependence of the crystallized Si layer on the annealing conditions.

Dünnschichtmaterialien vom Halbleiter, z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) oder ihre Legierungen, werden als die angemessenen Funktionsmaterialien in Energietechnologie angewendet. Je nach den Anwendungen muss sich die Morphologie dieser Dünnschichthalbleiter eignen, wie zum Beispiel eine grobkörnige Schicht als die Keimschicht für die Herstellung der Dünnschichtsolarzelle, eine poröse Struktur als Anodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie mit einer hohen Energiedichte. Während der Aluminium-induzierten Kristallisation der amorphen Halbleiter findet ein kollektiver Interdiffusionsprozess statt. In dieser Arbeit wird die je nach den Anwendungen gezielte Morphologie der Halbleiterdünnschichten über diese Methode unter den unterschiedlichen Herstellungsbedingungen erlangt. Eine grobkörnige Si-Schicht kann durch die Kristallisation in einer porösen Al-Schicht, die mit einer Biasspannung hergestellt wurde, gebildet werden. Die Al Korngrenzen in dieser porösen Al-Schicht werden wie zum Beispiel durch Sauerstoff (O) kontaminiert. Deshalb wird die Diffusion von Si in den Al Korngrenzen verlangsamt. Es führt zu einer Abnahme der Keimbildungsdichte vom Si. Höher als eine bestimmte Auslagerungstemperatur wird ein kollektiver Diffusionsprozess aktiviert. Daraus folgt, dass sich diese grobkörnige Si-Schicht mit (100) orientierter Textur bildet. Über eine gezielte Unterbrechung der Wärmebehandlung von Proben mit einer nanokristallines Al/amorphes Si Doppelschichtstruktur kann sich eine poröse Struktur vom kristallisierten Si nach dem Wegätzen von Al bilden, weil der Interdiffusionsprozess von Al und Si in der Zwischenzeit abbricht. Bei verschiedenen Auslagerungstemperaturen diffundiert das meiste Si entlang den unterschiedlichen Wegen in Al-Schicht, z.B. Trippellinien, Korngrenzen und Al-Körner. Die unterschiedlichen dominierten Diffusionsprozesse von Si in Al variieren die gebildete Morphologie von der porösen Si-Schicht. Über die Anwesenheit einer Zwischenschicht vom amorphen Ge zwischen der kristallinen Al- und amorphen Si-Schicht spielen die Al Korngrenzen keine entscheidende Rolle mehr für die Kristallisation vom amorphen Si im Vergleich zu dem Fall vom Al/Si Doppelschichtsystem. Si kristallisiert kontinuierlich auf den vorkristallisierten Ge Kristalliten, die sich zuerst an der ehemaligen Grenzfläche vom kristallinen Al und amorphen Ge bilden können. Die Fundamente, die die unterschiedlichen Kristallisationsverhaltene von Si thermodynamisch interpretieren können, werden anhand der Änderung der Grenzflächenenergien zwischen den unterschiedlichen Phasen im ganzen System während der Kristallisation aufgebaut. Mit der effektiven Diffusivität wird der dominierte Diffusionsprozess von Si in Al in den unterschiedlichen Temperaturintervallen ermittelt. Dadurch kann der Einfluss der Auslagerungsbedingung auf der Morphologie vom kristallisierten Si erkundet werden.