Hot-Wire Gasphasenabscheidung von nanokristallinem Silicium und Silicium-Germanium

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abscheidung von nanokristallinem Silicium (nc-Si) und nanokristallinem Silicium-Germanium (nc-SiGe) mit Hilfe der Hot-Wire Gasphasenabscheidung (HW-CVD). Das Ziel ist ein besseres Verständnis der physikalischen Schichteigenschaften. Im Gegensatz zur Abscheidung von amorphem Silicium (a-Si:H) durch HW-CVD ist die An-wendung von HW-CVD bei der Herstellung der oben genannten Materialien nur wenig (nc-Si) bzw. bisher noch gar nicht (nc-SiGe) untersucht worden. Die Herstellung von nanokristallinem Silicium-Germanium erfolgt gewöhnlich durch eine Plasma-unterstützter Gasphasenabscheidung einer amorphen SiGe-Dünnschicht und anschließende Kris-tallisation. Diese Arbeit stellt erstmalig die direkte Abscheidung von nc-SiGe mittels HW-CVD vor. Die direkte Abscheidung spart den Hochtemperaturschritt der Kristallisation ein und erweitert dadurch das Spektrum der einsetzbaren Substratmaterialien hin-sichtlich ihrer Temperaturstabilität.

Thermokraftmessungen zeigen, dass der Seebeck-Koeffizient der dotierten nc-SiGe-Schichten mit Größen zwischen 200 und 250 µV/K den Literaturwerten entspricht und damit für thermoelektrische Anwendungen geeignet ist.

Nanokristalline Siliciumproben zeigen gewöhnlich eine breite Photolumineszenz-Emis-sionslinie in der Region zwischen 0.9 und 1.0 eV. Die Ursache dieses Peaks ist in der Li-teratur bisher noch nicht geklärt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Photolumineszenz analog zu der von a-Si:H zwischen 1.2 und 1.4 eV durch Rekombination zwischen den Bandausläuferzuständen entsteht.

Sauerstoff ist in kristallinen Siliciumschichten eine gefürchtete Verunreinigung, da dieser Korngrenzen elektrisch aktiviert und dadurch den elektrischen Ladungsträgertransport verschlechtert. In der Literatur beschriebene mit Hot-Wire CVD hergestellte, na-nokristalline Siliciumschichten weisen hohe Sauerstoffkonzentrationen von 10^20 cm-3 auf, deren Ursache bislang nicht geklärt ist. Mit Hilfe von Deckschichtexperimenten gelingt in dieser Arbeit der Nachweis, dass der Sauerstoff erst nach der Deposition in die Schicht eindiffundiert. Eine Abschätzung der Größenordnung der Diffusionskonstante zeigt, dass die Eindiffusion nur durch schnelle Diffusion in porösen Hohlräumen erfolgen kann.

Die Textur nanokristalliner Dünnschichten bestimmt die Schichtqualität. So weisen Solarzellen mit einer <110>-Textur die höchsten Wirkungsgrade auf. In dieser Arbeit konnten erstmals unter Verwendung neuartiger Graphit-Drähte anstelle der sonst verwen-deten Tantal- oder Wolfram-Drähte Dünnschichten mit einer reinen <110>-Orientierung abgeschieden werden. Diese Schichten zeichnen sich durch eine Schichtstruk-tur aus, die die Eindiffusion von Sauerstoff nach der Deposition verhindert und daher, verglichen mit anderen nc-Si Schichten, zu geringen Sauerstoffkonzentrationen von 3x10^18 cm-3 führt.

This study investigates the deposition of nanocrystalline silicon (nc-Si) and nanocrystalline silicon-germanium (nc-SiGe) by hot-wire chemical vapour deposition (HW-CVD). It is directed towards a better understanding of the physical properties of the deposited thin films, and of the correlation of these properties with varying deposition conditions. In contrast to HW-CVD of amorphous silicon, only little information is available on HW-CVD of nanocrystalline semiconductors.

Nanocrystalline silicon-germanium is usually produced by depositing an amorphous PE-CVD SiGe layer and a subsequent thermal crystallisation. This work for the first time presents the direct deposition of nc-SiGe by HW-CVD. Direct deposition can avoid the high temperature process of crystallisation, thereby extending the choice of substrate materials, and enabling integration with microelectronics' and microsystems' components.

Thermopower measurements prove that Seebeck coefficients in the range of 200 to 250 µV/K of doped nc-SiGe HW-CVD layers are similar to those of layers deposited by other methods.

Nanocrystalline silicon layers generally exhibit a broad photoluminescence line between 0.9 and 1.0 eV. The origin of this peak is not yet resolved in literature. The results presented here strongly indicate that this photoluminescence line arises from recombination between band-tail states at the grain boundaries of the nanocrystals.

In crystalline silicon, oxygen favours the formation and activation of electronic defects. Nanocrystalline silicon layers deposited by HW-CVD exhibit high oxygen concentrations of 10^20 cm-3. This study reveals that oxygen quickly diffuses into the layers after deposition. An estimation of the diffusion constant supports the conclusion that a system of interconnected cavities enables the fast oxygen uptake.

Growth morphology and texture strongly affect the quality of nanocrystalline semiconductors. Nanocrystalline Si solar cells reach highest efficiencies if a <110>-texture is present. In this work, a new kind of graphite filaments instead of tantalum or tungsten wires produces nc-Si films with an exclusive <110>-texture. In contrast to films grown from metal wires, no microvoids are present in these samples, favourably preventing oxygen uptake, and resulting in a greatly reduced oxygen content as compared with other nc-Si layers.