ISBN 978-3-8439-0962-4

978-3-8439-0962-4, Reihe Physik

Stephan Suckow
Simulation der Kristallisation amorpher Silizium-Quantenschichten mittels Femtosekunden-Laserpulsen

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

Zusammenfassung / Abstract

Mit Femtosekunden-Laserpulsen können ultradünne Silizium-Quantenschichten unter Beibehaltung der funktionsgebenden Schichtstruktur besser als in herkömmlichen Ofentemperungen kristallisiert werden, wie in einer begleitenden Arbeit von C. Ripperda gezeigt wurde. In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulation entwickelt, welche die für diesen Prozess benötigten Laserparameter für neue Schichtsysteme vorhersagen kann.

Zunächst wird eine modular aufgebaute zweidimensionale Simulation der Lasereinstrahlung auf Multi-Quantenschichten entwickelt, in der diverse physikalische Effekte berücksichtigt werden. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Literaturdaten und Messungen zeigt sich, dass die aus amorphem Silizium bekannte, bimolekulare nichtstrahlende Rekombination auch in ofengetempertem nano-kristallinem Silizium dominiert. Daraufhin konnte C. Ripperda erstmals der Übergang von dieser zu klassischer Auger-Rekombination mit steigender Korngröße nachweisen.

Danach wird eine dreidimensional ortsaufgelöste Kristallisationssimulation entwickelt. Durch die Beschreibung der Kristallite als Kugeln können unbegrenzt große Gebiete mit bis zu 10^5 Kristalliten modelliert werden. Literaturwerte werden quantitativ nachvollzogen und dadurch erstmals demonstriert, dass sich realistische Korngrößenverteilungen allein aus der stochastischen Natur der Keimbildung ergeben können.

Die Kombination beider Simulationen ermöglicht die Simulation der Femtosekunden-Laserkristallisation. Für alle untersuchten Schichtsysteme ergibt sich das experimentelle Optimum, wenn die Proben bis zur Schmelzgrenze geheizt werden. Dies ermöglicht die Vorhersage der optimalen Laserparameter für beliebige Schichtsysteme. Simulationen basierend auf der im Rahmen der Literaturwerte maximal möglichen thermischen Kristallisation sind jedoch nicht in der Lage, die experimentellen Ergebnisse zufriedenstellend zu beschreiben. Als Lösung wird eine Analogie zwischen vom Laser aufgebrochenen Bindungen und von einem Ionenstrahl erzeugten Defekten vorgeschlagen. Dadurch ergibt sich ein nichtthermischer Beitrag zur Kristallisation und eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit, welche mit der Beobachtung übereinstimmt, wenn die wahrscheinlichsten Materialparameter benutzt werden. Somit konnten wesentliche Erkenntnisse zum Kristallisationsmechanismus gewonnen und der Grundstein für eine erweiterte Modellierung gelegt werden.