Wechselwirkungen von Gold und Versetzungen in Silizium

Abstract

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)