Wechselwirkungen von Gold und Versetzungen in Silizium
Interactions of gold and dislocations in silicon
by Oliver Voß
Date of Examination:2009-05-28
Date of issue:2009-06-04
Advisor:PD Dr. Michael Seibt
Referee:PD Dr. Michael Seibt
Referee:Prof. Dr. Christian Jooß
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The knowledge about interactions of different defects in crystalline sillicon are of major importance for the optimisation of the performance of solar cells based on multicrystalline silicon. Due to their recombination activity these defects degrate the lifetime of minority charge carriers and limit the efficiency compared to solar cells based on monocrystalline silicon whose fabrication, however, is more expensive. Apart from modified recombination properties there are other aspects of defect interaction: The solubility and diffusion properties of metallic impurities modified by defect interactions and binding energies to extended defects are important parameters for defect engineering processes during device processing. Properties of gold in dislocated silicon have been investigated by Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). It was found that the deep levels of substitutional gold introduce lines into the spectrum of dislocated silicon which are well-known from the spectra of undislocated silicon. The properties of these levels are almost unchanged except for the reduced capture rate of the acceptor state of the substitutional dissolved gold. This finding is explained by the assumption that the capture of electrons to a significant fraction of these atoms is affected by the electrostatic potential of charged dislocations which has formed in a cylinder symmetrical shape around them. The charges along the dislocations resulted from a deep acceptor state which is attributed to gold atoms bounded to the core of dislocations. By measuring the densities of free charge carriers using capacitance-voltage characteristics the existence of this deep acceptor state could be revealed. The relation of this state to gold atoms bounded to the dislocation cores has been substantiated by an accumulation of gold atoms at dislocations. This accumulation has been shown using the data of the work by Rodriguez and co-workers[1] who measured the total gold concentration in dislocated silicon. Based on these data a binding energy of 1.72(2)eV of gold atoms to the dislocation core is calculated. Using two models [2,3] which describe two limiting cases of possible interactions of the gold atoms along the dislocations, it is concluded that this deep acceptor state has a bandlike character.[1] A. Rodriuez, H. Bracht, I. Yonenaga, J. Appl. Phys. 95, 7841 (2004) [2] W. Read, Phil. Mag. 45, 1119 (1954) [3] H. Veth, M. Lanoo, Phil. Mag. B 50, 93 (1984)
Keywords: crystal defects; dislocations; metallic impurities; silicon; DLTS
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Kenntnisse über Wechselwirkungen unterschiedlicher Kristalldefekte in Silizium sind von großer Relevanz für die Optimierung der Leistung von Solarzellen, die auf der Basis von multikristallinenem Silizium hergestellt werden. Diese Defekte beeinträchtigen aufgrund ihrer Eigenschaften als Rekombinationszentren die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger und vermindern so den Wirkungsgrad im Vergleich zu Solarzellen aus defektarmen einkristallinen Silzium, deren Herstellung allerdings höhere Kosten verursacht. Dabei gibt es neben den modifizierten Rekombinationseigenschaften weitere wichtige Aspekte möglicher Wechselwirkungen von Defekten: Für die Prozesse der Defektmanipulation, z.B. Gettern, stellen wechselwirkungsbedingte Modifizierungen von Löslichkeits- und Diffusionseigenschaften metallischer Fremdatome sowie deren Bindungsenergien an kristallographischen Defekten wichtige Randbedingungen dar. Mittels der elektrischen Messmethode der Kapazitätstransientenspektroskopie DLTS ("Deep Level Transient Spectroscopy") wurden Eigenschaften von Gold in versetzungshaltigem Silizium untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass die tiefen Zustände des substitutionell gelösten Goldes Linien in das Spektrum versetzungshaltiger Siliziumproben einführen, die aus den Spektren versetzungsfreier Proben bekannt sind. Bei weitestgehend beibehaltenen Eigenschaften dieser Zustände in den versetzungshaltigen Proben wurde eine Reduktion der Einfangrate des Goldakzeptorzustandes in den versetzungshaltigen Proben gemessen. Dieser Befund wird dadurch erklärt, dass der Ladungsträgereinfang eines signifikanten Anteils der substitutionell gelösten Goldatome durch das elektrostatische Potential geladener Versetzungen beeinträchtigt wurde, das sich zylindersymmetrisch um diese ausgebildet hatte. Diese Ladungen entlang der Versetzungen wiederum resultieren aus einem tiefen Akzeptorzustand, dessen Existenz auf im Versetzungskern gebundene Goldatome zurückgeführt wird. Durch die Messungen der Dichten freier Elektronen mittels Kapazitäts-Spannungskennlinien konnte die die Existenz dieses tiefen Akzeptorzustandes gezeigt werden. Ein Zusammenhang mit im Versetzungskern gebundenen Goldatomen wird mit der dortigen Akkumulation von Goldatomen begründet. Dass eine solche Akkumulation von Goldatomen im Versetzungskern stattfindet, geht aus den Daten der Arbeit von Rodriguez und Mitarbeitern[1] hervor, die die Gesamtkonzentration von Gold in versetzungshaltigem Silizium gemessen haben. Auf Grundlage dieser Daten konnte eine Bindungsenergie von Goldatomen im Versetzungskern von 1.72(2)eV berechnet werden. Aus der Betrachtung zweier Modelle aus der Literatur [2,3], die Grenzfälle möglicher Wechselwirkungen der Goldatome im Versetzungskern untereinander beschreiben, wird gefolgert, dass dieser tiefe Akzeptorzustand einen bandartigen Charakter besitzt.[1] A. Rodriuez, H. Bracht, I. Yonenaga, J. Appl. Phys. 95, 7841 (2004) [2] W. Read, Phil. Mag. 45, 1119 (1954) [3] H. Veth, M. Lanoo, Phil. Mag. B 50, 93 (1984)
Schlagwörter: Kristalldefekte; Versetzungen; metallische Verunreinigungen; Silizium; DLTS