Germaniumeinbau in der 3C-SiC/Si Heteroepitaxie

Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Teilen und hatte das Ziel, die effiziente Herstellung von Tandem-Solarzellen auf Siliziumsubstraten zu ermöglichen. Hierzu wurde vor allem die Möglichkeit des Bandgap-Engineering bei Si1-x-yGexCy untersucht. Der erste Teil befasste sich mit dem Wachstum von 3C-SiC auf Silizium und speziell mit dem Wachstum bei geringer Temperatur. Hierdurch können Spannungen die durch das Abkühlen von der Wachstumstemperatur auf Raumtemperatur entstehen verringert werden. Mittels XRD- und Raman-Messungen konnte gezeigt werden, dass auch bei 1200 °C hochwertige Schichten entstehen, die von der kristallinen Qualität ähnlich waren wie eini-ge bei deutlich höheren Temperaturen im Hot-Wall Reaktor gewachsene Schichten. Den größten Einfluss auf das Wachstum hatte bei den verwendeten Prekursoren das C/Si-Verhältnis. Auf Grund der geringen Effizienz der Zersetzung von Propan bei niedrigen Temperaturen musste ein hoher Propangasfluss verwendet werden. Im vorhandenen Reaktor führte ein hohes C/Si-Verhältnis zwischen 5,5 und 8,1 zu hochwertigen Ergebnissen. Die Verwendung von Off-Axis Substraten zeigte dagegen keinen positiven Einfluss. Durch die niedrige Temperatur war die Wachstumsrate im Cold-Wall Reaktor mit ca. 1 µm/h relativ gering. Da gezeigt wurde, dass sich die Schichtqualität bis zu einer Dicke von 1 µm verbesserte und deshalb für Bauelemente nach Möglichkeit dickere Schichten zum Einsatz kommen sollten, ist bei 1 µm/h Wachstumsrate die angestrebte effiziente Herstellung nicht gegeben. Deshalb wurde im zweiten Teil der Arbeit untersucht, in wieweit es möglich ist, Keimschichten aus dem vorhanden Reaktor in schnelleren Pro-zessen zu verwenden. Es konnte gezeigt werden, dass sich eine Unterbre-chung des Wachstums unter bestimmten Bedingungen nicht negativ auf die Qualität der Epitaxieschicht auswirkte. Wichtig für ein erfolgreiches Weiter-wachsen ist eine hochwertige Keimschicht, die die Graphitisierungsschicht zwischen den beiden Prozessschritten vor Umwelteinflüssen schützt. Beim zweiten Wachstumsprozess ist auf eine erneute Graphitisierung zu verzichten. Dies sollte ohnehin gegeben sein, da die Intension dieser Versuche das Weiterwachsen in einem separaten Reaktor ohne Graphitisierungsmöglichkeit war. Außerdem sollten beim zweiten Prozess die Wachstumsbedingungen, Druck und Temperatur, vor dem Einleiten der Prekursoren bereits erreicht sein. So war es möglich, in zwei getrennten Prozessen Schichten ohne Qualitätsverlust herzustellen. Ein weiterer möglicher Anwendungsbereich ist das Wachstum von p-n-Übergängen in zwei getrennten Reaktoren, um Querkontamination durch Rückstände im Reaktor zu verhindern. Das wichtigste Ziel dieser Arbeit – die Einführung von Bandgap-Engineering in Si1-x-yGexCy und die Herstellung einer Verbindung mit einer Bandlücke von ca. 1,75 eV – wurde im dritten Teil untersucht. Hierzu wurden Schichten im Temperaturbereich von 250 °C bis 1300 °C mit den Prekursoren Silan und Isobutylgermanium hergestellt. Bei niedrigen Temperaturen bis 370 °C wuchs hauptsächlich Germanium und die Wachstumsrate stieg mit der Temperatur schnell an. Dies wurde durch die zunehmende Zersetzung des Isobutylgermaniums verursacht. Auch Silan begann bei steigender Temperatur sich zu zersetzten und es bildeten sich SiGe Partikel deren Germaniumgehalt mit steigender Temperatur abnahm. Diese Entwicklung setzte sich bis zu einer Temperatur von 760 °C fort. Bei 840 °C konnte zum ersten Mal Siliziumkarbid und damit die Zersetzung des Kohlenstoffprekursors nachgewiesen werden. Siliziumkarbid lag parallel zu Germanium und SiGe vor. Es konnten keine Anzeichen für eine Mischung im Sinne von Si1-x-yGexCy gefunden werden. In REM-Aufnahmen war zu erkennen, dass sich SiGe bzw. Germanium Türme bilden und das SiC auf der freien Substratoberfläche und der Oberfläche der Türme wuchs. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur sank der Germaniumgehalt rapide und es entstand verstärkt SiC. Dies lag sowohl in epitaktischer Form auf der Substratoberfläche, als auch ungeordnet in Form von Inseln vor. Es wurde gezeigt, dass unter den vorhandenen Bedingungen kein Ger-maniumeinbau in Siliziumkarbid möglich war. Weder eine Ge-C Bindung, noch eine Bandlücke im angestrebten Bereich konnten nachgewiesen werden. Alle Messungen sprechen dafür, dass SiGe und SiC als separate Phasen vorlagen und es zu keiner Vermischung kam. Ziel zukünftiger Forschung sollte es sein, den Bereich bei niedriger und mittlerer Temperatur mit geeigneten Prekursoren zu untersuchen. Im ersten und zweiten Teil der Arbeit wurde bereits gezeigt, dass sich Propan nicht als Kohlenstoffprekursor für niedrige Temperaturen eignet. Aus dem dritten Teil der Arbeit geht hervor, dass auch Isobutylgermanium bzw. das durch Germaniumabspaltung daraus entstehende Isobutan als Kohlenstoffprekursor ebenso ungeeignet ist. Mögliche Lösungsansätze könnten zum einen andere, sich schon bei geringer Temperatur zersetzende Prekursoren sein, zum anderen könnte ein Plasma eingesetzt werden, um die vorhanden Prekursoren effizient zu zersetzen. Der Einsatz von Plasma stellt dabei die vielversprechendste Lösung dar, da dadurch alle für die Verbindung benötigten Elemente unabhängig von der Wachstumstemperatur vorhanden wären, was neue Möglichkeiten für das Schichtwachstum eröffnen würde.The present work consists of three parts with the goal of enabling the efficient production of multi-junction solar cells on silicon substrates. The possibility of band gap engineering in Si1-x-yGexCy was the main objective. The first part was about the growth of 3C-SiC on silicon and especially the growth at a low temperature. This can reduces the residual stress which is introduced by the cooling from growth temperature to room temperature. XRD- and Raman-measurements showed the formation of layers with high crystalline quality even at temperatures as low as 1200 °C. The quality of these layers was equal to layers grown at much higher temperatures in a hot-wall reactor. The C/Si-ratio had the highest impact on the growth considering the precursors used. Because of the low efficiency of the propane dissociation at low temperatures, a high propane flow was required. In the present reactor a high C/Si-ratio, between 6 and 8, resulted in high quality layers. Off-axis oriented substrates did not show a positive influence. Due to the low growth temperature the growth rate was about 1 µm/h and therefore relatively low. It was shown that the quality of the layers improved up to a thickness of 1 µm, which means that thicker layers should be used for the manufacturing of components and hence 1 µm/h does not result in an efficient production. For this reason the second part of this work investigated the possibility to use seed layers from the present reactor in a faster process. It was shown that, under certain circumstances an interruption of the process did not have any negative influence on the epitaxial layer quality. A high quality seed layer is important for successful continuation of the growth process, because of its ability to protect the graphitization layer from environmental influences between the two processes. A graphitization step must not be used in the second growth run. The intension of these experiments was to enable fast growth rate single precursor reactors to grow epitaxial SiC layers, even though a graphitization step is not possible. Furthermore, in the second process, the growth temperature and pressure should already be reached before the precursors are introduced into the reactor. Under these circumstances it was possible to grow one layer in two separate processes without loss in quality. This also enables the growth of p-n-junctions in two separate reactors, to prevent cross contamination caused by residues in the reaction chamber. The main goal of this work – the introduction of band gap engineering in Si1-x-yGexCy and the manufacturing of a compound with a band gap of 1.75 eV – was under investigation in the third part of this work. For this purpose layers were grown between 250 °C and 1300 °C using silane and isobutylgermane as precursors. At low temperatures up to 370 °C mainly germanium was grown and the growth rate increased rapidly with the temperature. This is due to the increasing dissociation of the isobutylgermane. With increasing temperature the dissociation of silane began and SiGe particles were formed. The germanium content of these particles decreased with increasing temperature. This trend continued up to a temperature of 760 °C. At 840 °C silicon carbide was detected for the first time, also verifying the dissociation of the carbon precursor. Silicon carbide, germanium and SiGe were all present simultaneously, but no evidence for a solid solution and the formation of Si1-x-yGexCy could be found. SEM images showed, that SiGe and Ge were present in tower-like structures and SiC was formed on the free surface of the substrate and on the surface of the towers. Further increase of the temperature resulted in a rapid decrease of the germanium content and increased SiC formation. The SiC was present as epitaxial layer on the substrate as well as in random orientations in the form of islands. It was shown, that, under the present circumstances, the incorporation of germanium into silicon carbide was not possible. Neither a Ge-C bond nor a band gap in the desired region could be verified or demonstrated. All measurements imply that SiGe and SiC were present in separate phases and no solid solution was formed. The investigation of the low temperature growth with suitable precur-sors should be the objective of future work. In the first and second part of this work it was already shown that propane is not a suitable carbon precursor for low and medium temperature growth. The third part showed that isobutylgermane or rather isobutane as its dissociation product is not suitable as well. Possible solutions may be the use of other precursors with lower dissociation temperature, as well as the utilization of plasma to efficiently dissociate the present precursors. The most promising approach is the utilization of a plasma, as this would result in the presence of all elements which are required for the compound, regardless of the temperature in the chamber and thus may introduce new possibilities for the layer formation