Einfluss paramagnetischer Defekte auf Transport und Rekombination in mikrokristallinem Silizium

Abstract

Dünne Halbleiterschichten haben ein großes technologisches Potential. TFT-Flachbildschirme oder Dünnschichtsolarzellen sind bereits etablierte Produkte auf dem Markt. Zu den aussichtsreichen Materialsystemen für derartige Anwendungen gehört mikrokristallines Silizium. Die Struktur von mikrokristallinem Silizium im Übergangsbereich vom amorphen zum einkristallinen Silizium ergibt fundamentale grundlagenphysikalische Fragestellungen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von mikrokristallinem Silizium. Ergänzend werden Untersuchungen an polymorphen Siliziumdünnfilmen vorgestellt. Ein breites Spektrum an experimentellen Methoden ermöglicht den Zugang zu vielseitigen Fragestellungen. Dabei handelt es sich um die konventionelle Elektronenspinresonanz (ESR) im Hochfeld, elektrisch detektierte ESR und um elektrooptische Experimente, wie das Experiment der modulierten Photoströme, die konstante Photostrommethode, die Methode des stationären Ladungsträgergitters und stationäre Photostrommessungen bei tiefen Temperaturen. Wie in dieser Arbeit anhand einer Computersimulation gezeigt wird, unterliegen die Ladungsträgerelektronen im mikrokristallinen Silizium einem Spinaustauschprozess. Bei tiefen Temperaturen erfolgt der Photostromtransport durch Energy-Loss Hopping auf Bandausläuferzuständen. Mit Hilfe der elektrisch detektierten ESR konnten Transport- und Rekombinationspfade in den Materialsystemen aufgeklärt werden. Das paramagnetischen Defekten dabei eine bedeutende Rolle zukommt, werden durch die Messungen an einer elektronenbestrahlten mikrokristallinen Probe untermauert.

Thin semiconductor films have high potential for technical use. TFT flat screens or thin-film solar cells are established products on the market. One of the most promising material systems for thin-film applications is microcrystalline silicon. The heterogeneous microcrystalline silicon is also a very interesting material from a fundamental physical point of view, allowing us to study optoelectronic properties and electronic transport in the transition from amorphous to crystalline solid state. The main focus of this thesis is the study of microcrystalline silicon. In addition experiments with polymorphous silicon thin films are presented. In order to expand the experimental basis we have applied different experimental methods such as the standard Electron Spin Resonance (ESR) at normal and high magnetic fields, electrically detected ESR and well established electrooptical experiments such as the constant photocurrent method, modulated photocurrents, steady-state photocarrier grating and steady-state photocurrent measurements at deep temperatures. As demonstrated by a computersimulation, the electron charge carriers in microcrystalline silicon show a spin-exchange process. The photocurrent at deep temperature is caused by the drift in bandtail states due to energy-loss hopping. Different transport- and recombination paths in these material systems were identified by electrically detected ESR measurements. Paramagnetic defects have a main influence on these paths which was shown by studies with an electron irradiated microcrystalline silicon sample.