Defekt-Manipulation und Oberflächenpassivierung zur Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer in mittels Femtosekundenlaserpulsen hyperdotiertem Silizium

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Kontermann; Professor Dr. Michael Seibt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429413061

'Hyperdotierung' bezeichnet das gezielte Einbringen von Fremdatomen oberhalb ihrer Löslichkeit in Halbleiter, die tiefe Zustände in dessen Bandlücke erzeugen. Das Ziel der Hyperdotierung ist es, einen Überlapp der Defektwellenfunktionen zu erreichen, sodass es zu einer Verbreiterung der Defektzustände bis hin zur Ausbildung eines tiefen Defektbandes in der Bandlücke kommt. Die dadurch auftretende Absorption von Infrarotstrahlung mit Energien unterhalb der Bandlücke verspricht Anwendungen für IR-Detektoren und in der Photovoltaik. Hyperdotierungsprozesse benötigen hohe Temperaturen für kurze Zeiten und hohe Abkühlraten. Dies wird bei einer Bestrahlung mit Femtosekundenlaserpulsen erreicht. Geeignete Prozessbedingungen führen zu einer Oberflächentextur, die Reflexionsverluste reduziert. Einer breiten Anwendung dieser Hyperdotierung steht vor allem die Bildung prozessinduzierter Defekte entgegen.Für Silizium (Si) sind dies vor allem Versetzungen und Einschlüsse von Si-Hochdruckphasen sowie Punktdefekte. Schwefel-hyperdotiertes Si ist ein gut untersuchtes System, das bei Dotierkonzentrationen oberhalb von 1019 cm-3 einen Metall-Isolator-Übergang zeigt. Dennoch ist das Problem der starken Rekombination von Überschussladungsträgern ungelöst und die Ursachen dafür unbekannt. Mögliche Kandidaten sind prozessinduzierte ausgedehnte Defekte, die mit Schwefel dekoriert sind sowie die Rekombination über tiefe Schwefelniveaus isolierter Defekte. Deshalb ist es wichtig, die Defektbildung und die auftretenden Defektreaktionen in mittels fs-Laserpulsen -hyperdotiertem Si zu verstehen und Strategien zur gezielten Verbesserung des Materials zu entwickeln.Das übergeordnete Projektziel ist es, die Korrelationen zwischen makroskopischen und mikroskopischen Materialeigenschaften zu verstehen und sie in Bezug zu den Prozessbedingungen der fs-Laser Hyperdotierung und nachfolgender Behandlungen zu setzen. Wir verknüpfen makroskopische Messungen (externe/interne Quanteneffizienz, Ladungsträgerlebensdauer) mit mikroskopischen Untersuchungen der Ladungsträger-Rekombination (electron beam induced current, EBIC), der tiefen Defektzustände (deep level transient spectroscopy, DLTS) sowie der Oberflächenstruktur (Rasterkraft- und Kelvinsondenmikroskopie, AFM und KFM) und des darunter liegenden hyperdotierten Bereichs (Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, SEM und (S)TEM), um die anwendungsrelevanten Defektbildungen zu identifizieren und zu modellieren.Im Projekt werden Strategien des 'defect engineering' und der Passivierung entwickelt, die auf das Schwefel-hyperdotierte Si zugeschnitten sind. Folgende Ansätze stehen dabei im Fokus: (i) Oberflächenpassivierung durch dielektrische Schichten, (ii) Oberflächenmodifikationen nach der Hyperdotierung mittels fs-Laserbestrahlung (iii) Auslagerungsschritte nach der Hyperdotierung sowie (iv) 'defect engineering' durch Pulsformung, um nicht-thermische Einflüsse auf die Defektbildung zu identifizieren und zu kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Atomlagen-Abscheide-Anlage (ALD-Anlage)
• Gerätegruppe: 0920 Atom- und Molekularstrahl-Apparaturen