Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1904
Main Title: Properties of laser-crystallized polycrystalline SiGe thin films
Translated Title: Eigenschaften dünner laserkristallisierter polykristalliner SiGe-Filme
Author(s): Weizman, Moshe
Advisor(s): Kneissl, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften von dünnen laserkristallisierten polykristallinen Si1-xGex-Filmen mit 0 < x < 1 untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind im Folgenden zusammengefasst: • Die Laserkristallisation von dünnen amorphen Si1-xGex-Filmen mit 0.3 < x < 0.7 kann zur Ausbildung einer selbstorganisierten Hügel- bzw. Wellenstruktur auf der Oberfläche der Filme führen, die direkt mit einer periodischen Variation der Legierungs-zusammensetzung verknüpft ist. Die erhöhten Bereiche der Hügel und Wellen sind dabei mit Ge angereichert, wohingegen die tiefer liegenden Bereiche an Ge verarmt sind. • Nach einem Laserpuls zeigen die amorphen SiGe-Proben eine Wellenstruktur, aus der sich mit zunehmender Anzahl von Laserpulsen eine Hügelstruktur entwickelt. Die vom Ge-Gehalt, der Schichtdicke und der Energieflussdichte abhängige Periodizitätslänge der Strukturen beträgt nach einem Laserpuls 0.3 bis 1.1 µm und nimmt mit zunehmender Anzahl an Laserpulsen stark zu. Des Weiteren wurde keine Korrelation zwischen der Periodizitätslänge und der Korngröße, die in den Schichten typischerweise 0.1 µm betrug, gefunden. • Als Hauptmechanismus der Strukturbildung wird eine Instabilität an der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase während der Erstarrung vorgeschlagen. Berechnungen für Si1-xGex mit x < 0.5 entsprechend der Mulins-Sekerka-Theorie zeigen, dass für Kristallisationsgeschwindigkeiten im Bereich von 0.02 bis 3 m/s und hinreichendem Ge-Gehalt der Legierung eine Instabilität des Systems zu erwarten ist. Dieses Ergebnis stimmt gut mit den in dieser Arbeit für SiGe-Filme auf Glas experimentell ermittelten Kristallisationsgeschwindigkeiten überein. Darüber hinaus kann mit Hilfe dieses Modells auch das Verschwinden der Selbstorganisation bei SiGe-Filmen auf Edelstahl und auf molybdänbeschichtetem Glas mit der höheren thermischen Leitfähigkeit dieser Substrate und der damit verbundenen höheren Kristallisationsgeschwindigkeit erklärt werden. • Die Untersuchung von Defekten mittels Elektronenspinresonanz (ESR) zeigte, dass dünne laserkristallisierte Poly-Si1-xGex-Filme mit 0 < x < 0.84 unabhängig vom verwendeten Kristallisationsverfahren und dem Ge-Gehalt der Legierung eine Dangling-Bond-Konzentration von etwa Ns = 4x1018 cm-3 haben. Die Defektdichte von thermisch kristallisierten SiGe-Filmen war dagegen geringer und betrug nur Ns = 7x1017 cm-3. • Ge-reiche laserkristallisierte Poly-SiGe-Filme zeigten in einigen Fällen ein nicht typisches, breites Elektrisches-Dipol-Spin-Resonanz-Signal (EDSR), das von einer nahezu temperaturunabhängigen elektrischen Leitfähigkeit im Bereich 20 – 100 K begleitet wurde. Die Analyse der Winkelabhängigkeit des EDSR-Signals deutet darauf hin, dass dieser Effekt von einer großen metallischen Leitfähigkeit entlang der Korngrenzen hervorgerufen wird. • Die Korngrenzenleitung ist mit großer Wahrscheinlichkeit auf Dangling-Bond-Defekte und nicht auf extrinsische Verunreinigungen zurückzuführen. Metallische Leitung tritt dabei für Dangling-Bond-Defektkonzentrationen oberhalb einer kritischen Größe von NC ≈ 1018 cm-3 auf. Unterhalb dieses kritischen Wertes nimmt die Korngrenzenleitfähigkeit stark ab, findet aber wahrscheinlich weiterhin mittels Hopping über lokalisierte Defektzustände statt. Das Auftreten einer metallischen Leitfähigkeit vorzugsweise bei Ge-reichen laserkristallisierten Poly-SiGe Proben wird als intrinsische Eigenschaft von Ge im Vergleich zu Si angesehen und nicht auf die Details der Korngrenzenstruktur zurückgeführt. • Optische Untersuchungen an laserkristallisierten Poly-Si1-xGex-Filmen mit x > 0.5 zeigen ein für ungeordnetes SiGe typisches Absorptionsverhalten, welches auf eine vorwiegend an den Korngrenzen stattfindende Absorption hindeutet. Beim laserkristallisierten Poly-Si0.5Ge0.5-Film wurde zudem ein Absorptionspeak innerhalb der Bandlücke beobachtet, der einem optischen Übergang zwischen D+/D0 Dangling-Bond-Zuständen und dem Leitungsbandminimum zugeordnet werden kann. • Die Nachbehandlung der laserkristallisierten Poly-SiGe-Filme in einem Wasserstoffplasma führt zu einer bemerkenswerten Änderung der Materialeigenschaften. Auf der einen Seite wird ein Übergang von metallischer Leitfähigkeit zu isolierendem Verhalten, sowie eine Reduktion des ESR-Signals und der Absorption unterhalb der Bandlücke beobachtet, was auf eine Passivierung der Dangling-Bond-Defekte an den Korngrenzen hindeutet. Auf der anderen Seite deutet die Abnahme der Photoleitfähigkeit auf die Bildung einiger neuer, elektrisch aktiver Defekte hin. Als mögliche Defekte werden hierbei zusammenhängende H2*-Komplexe, so genannte Platelets, vorgeschlagen.
In this thesis, structural, electrical, and optical properties of laser-crystallized polycrystalline Si1-xGex thin films with 0 < x < 1 were investigated. The most important results and conclusions are summarized below: • Laser crystallization of amorphous Si1-xGex thin films with 0.3 < x < 0.7 can result in a self-organized pattern of hillocks or ripples on the surface of the film, which is directly coupled to a periodic compositional variation. The elevated areas of the hillocks and ripples are enriched with Ge whereas the lowered areas are depleted of Ge. • Amorphous SiGe samples that are exposed to a single laser pulse exhibit a ripple structure that evolves into a hillock structure when the samples are irradiated with additional laser pulses. The periodicity length of the structure after a single laser pulse is in the range of 0.3 to 1.1 µm, depending on Ge content, layer thickness, and laser fluence and grows rapidly with increasing number of laser pulses. Moreover, the periodicity length exhibited no correlation with the grain size in these layers, which was typically 0.1 µm. • It is maintained that the main mechanism behind the structure formation is an instability of the propagating solid-liquid interface during solidification. Calculations made according to the Mullins-Sekerka instability theory for Si1-xGex with x < 0.5 reveal that in the solidification velocity range of 0.02 to 3 m/s, the system is expected to be unstable for sufficient amounts of Ge in the alloy. This result is in good agreement with solidification velocities that were experimentally determined in this study for SiGe films on glass from transient conductivity measurements. Moreover, the suppression of the self organization for SiGe films on stainless steel and molybdenum-coated glass substrates is in accordance with this model, since these substrates have a higher thermal conductivity that causes the solidification velocity to increase. • The study of defects with electron spin resonance showed that laser-crystallized poly-Si1-xGex thin films with 0 < x < 0.84 have a dangling-bond concentration of about Ns = 4x1018 cm-3, which is roughly independent of the crystallization method and Ge content. The defect density for solid-phase crystallized SiGe films was lower and amounted to Ns = 7x1017 cm-3. • Germanium-rich laser-crystallized poly-SiGe thin films exhibited mostly a broad atypical electric dipole spin resonance (EDSR) signal that was accompanied by a nearly temperature-independent electrical conductivity in the range 20 - 100 K. The analysis of the angle dependence of the EDSR signal suggests that these effects stem from a high metallic-like conductance along grain boundaries. • Most likely, the origin of the grain boundary conductance is due to dangling-bond defects and not impurities. Metallic-like conductance occurs when the dangling-bond defect density is above a critical value of about NC ≈ 1018 cm-3. Below this value the conductance along the grain boundary is significantly reduced but may still exist due to hopping between localized defect states. The appearance of metallic-like conductance for Ge-rich SiGe alloys is viewed as an intrinsic property of Ge compared to Si rather than a property related to the details of the grain boundary structure. • Laser crystallized poly-Si1-xGex thin films with x > 0.5 exhibit optical absorption behavior that is characteristic for disordered SiGe, implying that the absorption occurs primarily at the grain boundaries. A sub-band-gap absorption peak was found for laser-crystallized poly-Si0.5Ge0.5 films that can be attributed to an optical transition between D+/D0 dangling-bond states and the conduction band minimum. • The incorporation of hydrogen into the laser-crystallized poly-SiGe films by remote plasma post-treatment modified remarkably the material properties. On the one hand, it caused a transition from metallic to insulator-like conductance and reduced the ESR and the sub-band-gap absorption signals indicating that dangling-bond defects at the grain boundaries were passivated. On the other hand, it reduced the photoconductivity signal pointing to the formation of some new electrically active defects. It is suggested that these defects might be aggregated H2* complexes known as platelets.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19098
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2201
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1904
Exam Date: 6-Jun-2008
Issue Date: 17-Jul-2008
Date Available: 17-Jul-2008
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Dünne Filme
Laserkristallisation
Polycrstalline
SiGe
Laser crystallization
Polycrystalline
SiGe
Thin films
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/de/
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