ISBN 978-3-8439-0920-4

978-3-8439-0920-4, Reihe Physik

Christian Ripperda
Kristallisation von amorphen Silizium-Quantenstrukturen mit Femtosekunden-Laserpulsen

115 Seiten, Dissertation Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Herkömmliche Ofenprozesse stoßen bei der Kristallisation von Silizium-Quantenschichten an ihre Grenzen, da thermisch induzierte Verspannungen die Phasenumwandlung hemmen. Thema des Vortrags ist die Entwicklung eines Kristallisationsprozesses unter Einsatz von Femtosekunden-Laserpulsen, der diese parasitären, thermischen Einflüsse minimiert und eine bessere Kristallisation von Silizium-Quantenschichten ermöglicht.

Zur Entwicklung des Kristallisationsprozesses wurde zunächst die Licht-Halbleiter-Wechselwirkung im betreffenden Material Silizium untersucht. Aus der Literatur ist bekannt, dass im Hochanregungsfall ein nichtstrahlender, bimolekularer Prozess die Rekombination im a-Si dominiert. Dieses Verhalten steht der im kristallinen Silizium zu beobachtenden Auger-Rekombination entgegen. Durch gezielte Analyse der Rekombinationsparameter in Abhängigkeit der Kristallitgröße nanokristalliner Siliziumschichten kann der Übergang zwischen Augerrekombination im kristallinen Si und bimolekularer Rekombination im a-Si erstmalig auf Lokalisierungseffekte zurückgeführt werden. Die daran anschließenden spektral aufgelösten Anrege-Abfrage-Messungen ermöglichen die Bestimmung der Gittertemperatur nach optischer Anregung.

Im Anschluss wurden Kristallisationsversuche an 60 nm dicken Siliziumschichten durchgeführt. Hierbei können Schwellwerte für die Kristallisation sowie für das Schmelzen der angeregten Filme identifiziert werden. In Analogie zu Ionenstrahlinduzierter Kristallisation ermöglichen nichtthermischen Beiträge schnellere Kristallisationsgeschwindigkeiten bei niedrigeren Prozesstemperaturen und stellen somit einen fundamentalen Unterschied zum Ofenprozess dar.

Unter Berücksichtigung der Probengeometrie gelingt der Übertrag des Kristallisationsprozesses auf Quantenschichtstrukturen der Schichtdicken 4 sowie 2 nm. Der direkte Vergleich der Kristallisationsergebnisse mit denen eines Ofenprozesses verdeutlicht die Vorteile der Laserkristallisation.