Low temperature silicon epitaxy : defects and electronic properties

Abstract

The work investigates the electronic properties of thin epitaxial silicon films and their suitability for microelectronic and photovoltaic applications. The films are grown by ion-assisted deposition (IAD), a molecular beam epitaxy (MBE) method that uses a small fraction of accelerated Si+ ions in the molecular beam, allowing for additional kinetic energy transfer to the substrate during low temperature epitaxy. This work concentrates on films grown at low deposition temperatures Tdep in the range of Tdep = 450°C to 750°C with deposition rates rdep in the range of rdep = 0.1 to 0.5 µm/min. As substrate materials, either monocrystalline (100)-, (111)-, (110)-, and (113)-oriented Si-wafers or block-cast polycrystalline Si-wafers are used. This work shows that the structural and electronic properties of epitaxial films deposited at low temperatures depend significantly on the substrate orientation. The number of extended defects in (100)-oriented films, i.e. dislocations and stacking faults, is significantly lower than in non-(100)-oriented films. The etch pit density nep, as deduced by anisotropic defect etching, is below nep = 1 x 10 3 cm -2 , for (100)-oriented films, independent of deposition temperature and rate. This low number of extended defects ensures that the electronic properties of (100)-oriented films are dominated by point defects. Photoluminescence and deep level transient spectroscopy (DLTS) serve to characterize defects in the (100)-oriented films. A broad defect luminescence band, located at photon energies around hnu = 0.8 eV, appears in all films deposited at Tdep = 460°C. When accelerated silicon ions are used to deposit the films, additional defect peaks appear at hnu = 0.767 eV and below. These defects are correlated to thermal donors, that are typically observed in oxygen rich silicon after thermal treatment at 450°C. Several broad defect bands in the band gap are identified by DLTS-measurements, the most prominent at trap levels Et = 0.2 eV and 0.25 eV above the valence band. The defect density is of the order of 1 x 10 13 cm -3, and shows a minimum for rdep = 0.3 µm/min. For deposition temperatures Tdep > 550°C, no defects are observed with either photoluminescence or DLTS, but the minority carrier diffusion length of the films increases with Tdep. The use of the minority carrier diffusion length as a sensitive measure for the density of electrically active defects reveals an exponential decay of the defect density with rising deposition temperature. Ion-bombardment with Si+-ions during deposition at low temperatures has an important influence on the electronic properties of the films: At Tdep = 460°C and 650°C, the use of accelerated silicon ions in ion-assisted deposition leads to an increase of the minority carrier diffusion length L for moderate acceleration voltages up to 100 V. At higher deposition temperatures, ion-bombardment did not result in a measurable difference of the electronic properties: Thin film solar cells, deposited at Tdep = 750°C with and without accelerated silicon ions showed identical conversion efficiencies of 13.8 %. Despite the variety of defects detected in low temperature epitaxial films, Photoluminescence and DLTS did not allow to identify the dominant recombination mechanism that is responsible for the poor photovoltaic properties of the films deposited at Tdep < 650°C. Therefore, a new lifetime spectroscopy method is developed in this work, that is compatible with thin films and fully processed devices: Temperature dependent quantum efficiency (TQE). Using the TQE method for analysis of thin film solar cells deposited by IAD at Tdep = 460°C and 510°C revealed the presence of two dominant defect centers, active at different temperatures. Applying a multilevel model for the lifetime to the TQE data allows for the identification of a defect center with an activation energy Ea = 0.2 eV as the dominant recombination center at room temperature and a center with Ea = 0.07 eV being active at temperatures below 150 K. The TQE results are in good agreement with DLTS experiments, where comparable defect levels are determined in the same films. Growth on non-(100)-oriented substrates, such as Si(111), Si(110), and Si(113), is dominated by the formation of high densities of extended defects, in particular stacking faults, resulting in significantly lower electronic quality of the films. Light beam induced current investigations of films deposited on polycrystalline substrates with randomly oriented grains show highly differing electronic quality of the grains. As a consequence, this work classifies the suitability of surface orientations for epitaxy according to the resulting electronic quality of the deposited films as follows: Type A)(100)-oriented surfaces result in the highest electronic quality. Type B) singular (stable) surfaces (e.g. (111), (110)) result in medium electronic quality. Type C) facetted surfaces result in the poorest structural and electronic quality. This work gives a detailed analysis of defects in low temperature epitaxial films with their dependence on deposition temperature, deposition rate, and substrate orientation, allowing for a profound judgement of the possibilities and restrictions of low temperature epitaxial films for photovoltaic and microelectronic applications. In most cases, the high number of extended defects and the inferior electronic properties will exclude deposition on non-(100)-oriented substrates. Especially in the case of photovoltaic devices, only epitaxy on (100)-oriented substrates at deposition temperatures above 650°C results in sufficiently high minority carrier diffusion lengths for effective thin film solar cells.

Die vorliegende Arbeit untersucht die elektronischen Eigenschaften von epitaktischen Si-Dünnschichten und deren Eignung für mikroelektronische und photovoltaische Anwendungen. Die Schichten wurden mittels ionenassistierter Deposition (IAD) abgeschieden, eine Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) Methode, bei der ein Teil der Si-Atome im Molekularstrahl (ca. 1%) ionisiert wird. Durch eine am Substrat angelegte Spannung ermöglicht der Ionenanteil einen zusätzlichen, exakt kontrollierbaren Energieübertrag auf das Substrat. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Epitaxieschichten wurden bei Depositions-temperaturen Tdep im Bereich von Tdep = 450°C bis 750°C und typischen Abscheideraten rdep im Bereich von rdep = 0,1 bis 0,5 µm/min, abgeschieden. Die Abscheidung erfolgte zum größten Teil auf monokristallinen Si-Substraten mit (100)- , (110)-, (111)-, oder (113)-Orientierung, aber auch Epitaxie auf polykristallinen Block-gegossenen Substraten wurde untersucht. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Epitaxieschichten wesentlich von der kristallographischen Orientierung des Substrats abhängen. Die Zahl der ausgedehnten Defekte, d.h. Versetzungen und Stapelfehler, in (100)-orientierten Schichten ist deutlich niedriger als in Schichten die auf anderen Substrat-Orientierungen abgeschieden wurden. Die Ätzgrubendichte nep in (100)-orientierten Schichten, die mittels anisotroper Defektätze ermittelt wird, liegt unter nep = 1 x 10 3 cm -2, unabhängig von der Depositionstemperatur und -rate. Diese niedrige Zahl an ausgedehnten Defekten erlaubt die Schlussfolgerung, dass die elektronischen Eigenschaften der (100)-orientierten Epitaxieschichten im wesentlichen von Punktdefekten bestimmt werden. Photolumineszenz (PL) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) Messungen dienen in dieser Arbeit als Methoden zur Charakterisierung von Punktdefekten in (100)-orientierten Schichten. Alle Epitaxieschichten, die bei niedrigen Depositionstemperaturen von Tdep = 460°C abgeschieden wurden, zeigen in PL-Messungen ein breites Defektband zentriert um Photonenenergien hnu = 0,8 eV. Bei Verwendung von beschleunigten Si-Ionen während der Abscheidung treten mehrere zusätzliche scharfe PL-Linien unterhalb von hnu = 0,767 eV auf. Diese konnten als thermische Donatoren identifiziert werden, die häufig in Sauerstoffreichen Silizium-Wafern nach einer Temperbehandlung bei Temperaturen um 450°C beobachtet werden. Mehrere breite Defektbänder in der Bandlücke von Silizium konnten mit DLTS Messungen nachgewiesen werden. Besonders hohe Defektdichten von Nt = 1 x 10 13 cm -3, ergaben sich bei Tdep = 460°C und rdep = 0,3 µm/min, für Defekte im Energiebereich von Et - EV = 0,2 eV und 0,25 eV. In Epitaxieschichten die bei Temperaturen oberhalb von Tdep = 550°C abgeschieden wurden lassen sich keine Punktdefekte mehr mit PL oder DLTS nachweisen. Jedoch steigt die Minoritätsträgerdiffusionslänge L mit zunehmender Depositionstemperatur an. Unter Verwendung von L als Indikator für die Dichte rekombinationsaktiver Defekte, lässt sich ein exponentieller Abfall der Defektdichte mit zunehmender Depositionstemperatur ableiten. Der Einsatz von Ionen mit moderaten Beschleunigungsspannungen bis zu 100 V während der Abscheidung hat deutlichen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Schichten. Bei Depositionstemperaturen von 460°C und 650°C führt der Ionen-Beschuss zu einer Erhöhung der Minoritätsträgerdiffusionslänge. Jedoch konnte bei höheren Depositionstemperaturen von Tdep = 750°C kein Einfluss der beschleunigten Ionen auf die Schichtqualität nachgewiesen werden. Dünnschicht-Solarzellen, die bei dieser Temperatur hergestellt wurden erreichen unabhängig vom Ionenbeschuss Wirkungsgrade von 13,8%. Obwohl eine Vielzahl von Defekten mit PL und DLTS in den Schichten nachgewiesen wurde, konnte der dominierende Rekombinationsmechanismus nicht durch diese Methoden bestimmt werden. Daher wurde in dieser Arbeit mit der temperaturabhängigen Quantenausbeute (TQE) eine neue Methode der Lebensdauerspektroskopie entwickelt, die auch auf dünne Halbleiterschichten oder fertig prozessierte Solarzellen angewandt werden kann. Durch die Anpassung eines Models mit mehreren Defektniveaus an gemessene TQE-Daten konnten zwei relativ flache Defekte mit Aktivierungsenergien von Ea = 0,2 eV und 0,07 eV als dominierende Rekombinationszentren bei Raumtemperatur und bei 150 K bestimmt werden. Die mit der TQE-Methode ermittelten Aktivierungsenergien sind in guter Übereinstimmung mit Defektniveaus die mittels DLTS an den gleichen Filmen gemessen wurden. Epitaktisches Wachstum auf Oberflächen mit anderer Orientierung als Si(100), wie Si(111), Si(110) oder Si(113), führt zu einer deutlich höheren Dichte an ausgedehnten Defekten, welche auch die elektronischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Ortsaufgelöste Kurzschlussstrommessungen von Solarzellen, die auf polykristallinen Substraten abgeschieden wurden, zeigen stark unterschiedliche elektronische Qualität der einzelnen Körner in Abhängikeit von deren Oberflächenorientierung. Diese Arbeit klassifiziert daher die Eignung von Oberflächen-Orientierungen für epitaktische Anwendungen anhand der resultierenden elektronischen Qualität der Schicht: Typ A) (100)-orientierte Schichten - höchste elektronische Qualität. Typ B) Singuläre Oberflächen (z. B. Si(111), Si(110)) - mittlere elektronische Qualität. Typ C) Facettierte Oberflächen - niedrigste elektronische Qualität. Die in dieser Arbeit vorgestellte detaillierte Analyse von Defekten in Niedertemperaturepitaxie-Schichten in Abhängigkeit von Depositionstemperatur, Depositionsrate und Substrat-Orientierung erlaubt eine fundierte Bewertung der Eignung solcher Schichten für mikroelektronische und photovoltaische Anwendungen. Die hohe Dichte an ausgedehnten Defekten und die schlechten elektronischen Eigenschaften der Schichten werden Epitaxie auf nicht-(100)-orientierten Substraten für viele Anwendungen ausschließen. Speziell im Fall von epitaktischen Solarzellen ist nur für Schichten, die auf Si(100) bei Temperaturen oberhalb von 650°C abgeschieden wurden, die Minoritätsträgerdiffusionslänge ausreichend für eine Anwendung in Dünnschichtzellen.