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Ladungstransport in festphasenkristallisiertem polykristallinem Silizium
Scheller, Lars-Peter
Die elektronische Qualität von polykristallinem Silizium (poly-Si) wird entscheidend von Korngrenzen und im Material vorhandenen intrinsischen und extrinsischen Defekten bestimmt. Ein physikalisches Verständnis dieser Defekte und ihrer Auswirkung auf den Ladungstransport ist somit essentiell für die Steigerung der Leistungsfähigkeit nahezu aller auf poly-Si basierender elektronischer Bauelemente. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Präparationsparameter sowie einer Wasserstoffnachbehandlung auf Defekte und den Ladungstransport in festphasenkristallisiertem poly-Si untersucht. Im Folgenden sind die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammengefasst. Die Festphasenkristallisation von amorphem Silizium (a-Si) auf Glas führt zu einer tensilen Verspannung von bis zu 0.8 GPa in den resultierenden poly-Si Schichten, als deren Ursprung die Grenzfläche zum Substrat nachgewiesen werden konnte. Neben der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Schicht und Substrat wurde eine mit dem Phasenübergang von a-Si zu poly-Si verbundene Dichteabnahme als mögliche Ursache für die Verspannung identifiziert. Der Ladungstransport in festphasenkristallisiertem poly-Si hängt entscheidend vom verwendeten Substrat ab. Poly-Si Schichten auf Corning Glas zeigen bei hohen Temperaturen ein für den Ladungstransport über Potentialbarrieren typisches Transportverhalten. Die energetische Lage und die Konzentration der hierfür verantwortlichen donatorartigen Korngrenzendefekte konnte zu E_{v}-E_{t} = 0.4 eV und N_{t} = 4x10^{11} cm^{-2} bestimmt werden. Poly-Si Schichten auf SiN-beschichtetem Borofloat Glas zeigen dagegen eine starke Ladungsträgerverarmung mit einer Dotiereffizienz von nur etwa 10^{-4} und einen für einkristallines Material typischen Ladungstransport. Als mögliche Ursachen für dieses gegensätzliche Verhalten werden eine Bandverbiegung an der Grenzfläche zum Substrat, eine Wasserstoffdiffusion aus der SiN-Pufferschicht sowie intrinsische und extrinsische Defekte innerhalb der Kristallite diskutiert. Für die thermisch aktivierte Leitfähigkeit aller poly-Si Schichten bei hohen Temperaturen wird eine Meyer-Neldel-Relation (MNR) zwischen dem exponentiellen Vorfaktor und der Aktivierungsenergie beobachtet. Das Auftreten der MNR sowie die experimentell bestimmten Meyer-Neldel-Parameter von sigma_{MNR} = 0.1 Ohm^{-1}cm^{-1} und E_{MNR} = 56 meV lassen sich sowohl im Zustandsdichtemodell mit einer statistischen Verschiebung der Fermienergie als auch mit einer Vielphononenanregung in einem thermodynamischen Modell interpretieren. Die Temperatur- und Intensitätsabhängigkeit der Photoleitung in festphasenkristallisiertem poly-Si weist deutliche Ähnlichkeiten zum Phototransport in a-Si auf. Poly-Si Schichten mit hoher Photosensitivität auf Corning Glas zeigen zudem eine deutliche Abhängigkeit der temperaturabhängigen Photoleitfähigkeit von der Richtung der zur Messung verwendeten Temperaturrampe. Verantwortlich für diese Hysterese ist eine Umladung von Defektzentren durch photogenerierte Ladungsträger. Mittels thermisch stimulierter Strommessungen wurden fünf diskrete Defektzentren mit Aktivierungsenergien E_{A} von 0.12, 0.25, 0.35, 0.46 und 0.50 eV ermittelt. Ein prominenter Defekt in poly-Si sind ungesättigte Si-Bindungen (dangling bonds), die mittels Elektronenspinresonanz (ESR) identifiziert und quantifiziert wurden. In unpassivierten poly-Si Schichten beträgt die Spinkonzentration N_{S} 2x10^{17} cm^{-3} für amorph abgeschiedene und festphasenkristallisierte bzw. 9x10^{17} cm^{-3} für direkt polykristallin abgeschiedene Schichten und korreliert mit der aus photothermischen Absorptionsmessungen bestimmten integralen Defektabsorption A_{PDS}. Der Proportionalitätsfaktor zwischen N_{S} und A_{PDS} beträgt 5.5x10^{16} eV^{-1}cm^{-2}. Durch eine Wasserstoffpassivierung werden die Transporteigenschaften von festphasenkristallisiertem poly-Si in komplexer Weise beeinflusst. Neben der typischen Abnahme der dangling bond Defektdichte wurde, abhängig vom verwendeten Substrat und der Passivierungsdauer, auch eine Verschlechterung der elektronischen Materialeigenschaften beobachtet. Verantwortlich hierfür sind wasserstoffinduzierte Defekte wie z.B. Platelets, die mittels Ramanuntersuchungen anhand ihrer lokalen Schwingungsmode bei nu = 1550 cm^{-1} nachgewiesen werden konnten.
The electronic quality of polycrystalline silicon (poly-Si) is critical influenced by grain boundaries as well as intrinsic and extrinsic defects within the material. Therefore, a physical understanding of these defects and their effect on charge carrier transport is essential for improving the performance of almost all electronic devices based on poly-Si. In the present work, the influence of various preparation parameters as well as a hydrogen post-treatment on defects and charge transport in solid-phase crystallized poly-Si is investigated. The main findings and conclusions are summarized as follows. The solid-phase crystallization of amorphous silicon (a-Si) on glass leads to a tensile strain of up to 0.8 GPa in the poly-Si layers, which originates from the substrate interface. Besides the different thermal expansion of the layer and the substrate, a decrease in density related to the phase transition from a-Si to poly-Si was identified as a possible cause for the strain. The charge transport in solid-phase crystallized poly-Si strongly depends on the substrate used. Poly-Si layers on Corning glass show a transport behavior typical for charge transport across potential barriers at grain boundaries. The energetic position and concentration of the causing donor-like grain boundary defects was determined to be E_{v}-E_{t} = 0.4 eV and N_{t} = 4x10^{11} cm^{-2}. Poly-Si films on SiN-coated Borofloat glass however exhibit strong charge carrier depletion with a doping efficiency of only about 10{-4} and a carrier transport typical for single crystalline material. As an explanation for this contrasting behavior different models such as band bending at the substrate interface, hydrogen diffusion from the SiN buffer layer and intrinsic or extrinsic defects within the crystallites are discussed. For the thermally activated conductivity of all poly-Si layers at higher temperatures, a Meyer-Neldel rule (MNR) between the exponential prefactor and the activation energy is observed. The appearance of the MNR and the experimental Meyer-Neldel parameters of sigma_{MNR} = 0.1 Ohm^{-1}cm^{-1} and E_{MNR} = 56 meV can be interpreted either with a density of states model by a statistical shift of the Fermi energy or with a thermodynamic model by a multi-phonon excitation. The temperature and intensity dependence of photoconductivity in solid-phase crystallized poly-Si has significant similarities to that of a-Si. Poly-Si layers on Corning glass with high photosensitivity show a clear dependence of the temperature dependent photoconductivity on the direction of the temperature ramp used. This hysteresis is caused by a recharging of defect states by photo-generated charge carriers. Thermally stimulated current measurements revealed five discrete defect states with activation energies E_{A} of 0.12, 0.25, 0.35, 0.46 and 0.50 eV. A prominent defect in poly-Si is the unsaturated Si bond (dangling bond) that was identified and quantified by electron spin resonance (ESR) measurements. Unpassivated poly-Si layers exhibit a spin concentration N_{S} of about 2x10^{17} cm^{-3} for amorphous deposited and solid-phase crystallized films and 9x10^{17} cm^{-3} for directly polycrystalline deposited films. The ESR signal correlates with the integral defect absorption A_{PDS} determined by photothermal absorption measurements. The proportionality factor between N_{S} and A_{PDS} is 5.5x10^{16} eV^{-1}cm^{-2}. After hydrogen passivation, the transport properties of solid-phase crystallized poly-Si change in a complex way. Besides the typical decrease in dangling bond defect density, depending on the substrate and the passivation time, also a deterioration of the electronic properties was observed. It is suggested, that hydrogen-induced defects such as Platelets, which were detected with Raman spectroscopy by their local vibrational mode at nu = 1550 cm^{-1}, are responsible for this behavior.
