Optische Eigenschaften von Versetzungen in Silizium

Versetzungen sind linienhafte Störungen in Kristallen und beeinflussen die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften des Halbleitermaterials. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Versetzungen in Silizium anhand des Studiums ihrer charakteristischen Lumineszenz, der sogenannten D-Linien, untersucht. Dabei wurden die Versetzungen in einkristallinen Siliziumproben verschiedener Orientierung in einem einstufigen Prozess mittels plastischer Verformung bei hohen Temperaturen erzeugt und ggf. in einem zweiten Schritt durch Hochlastverformung bei tieferen Temperaturen modifiziert. Als Methoden zur Untersuchung der optischen Eigenschaften der Versetzungen werden Photolumineszenz (PL)- und Kathodolumineszenz (KL)-Spektroskopie verwendet. Gleitstufen an der Probenoberfläche werden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Versetzungsanordnungen im Probenvolumen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) abgebildet. Die Versetzungsstruktur der auf Einfachgleitung orientierten Proben ist durch relaxierte Versetzungen (einstufige Verformung) bzw. gerade Versetzungen (zweistufige Verformung) gekennzeichnet. In der auf Vielfachgleitung orientierten Probe werden mehrere Gleitsysteme gleichartig aktiviert. Es bildet sich ein Zellmuster aus, wobei das Innere der ca. 1 µm großen Zellen im Wesentlichen versetzungsfrei ist und die Zellwände eine hohe Versetzungsdichte aufweisen. Generell sind die mittleren Versetzungsdichten aller Proben hoch. Sie betragen zwischen 5 x 10^7 und 1 x 10^9 cm-2. Die Lumineszenz der einstufig verformten Proben ist durch das Auftreten von vier Linien (D1 bis D4) im Spektrum gekennzeichnet. In den zweistufig verformten Proben dominieren die Linien D5 und D6 die Lumineszenz. Die spektralen Positionen aller D-Linien entsprechen den aus der Literatur bekannten Daten. Die integrale Lumineszenzintensität im Bereich der D-Linien nimmt mit wachsender mittlerer Versetzungsdichte zu. Zusätzlich kann in den zweistufig verformten Proben eine bisher nicht identifizierte Lumineszenzlinie bei einer Energie von 1,090 eV festgestellt werden. Für diese Linie wird in dieser Arbeit die Bezeichnung P^2SD verwendet. In den KL-Abbildungen wird für alle D-Linien und die P^2SD-Linie im Wesentlichen eine örtlich homogene Lumineszenzverteilung festgestellt. Dies wird auf eine im Maßstab des KL-Wechselwirkungsvolumens homogene Versetzungsverteilung zurückgeführt. Die lokalen Schwankungen der KL um die mittlere Intensität betragen maximal 15 %. Diese Schwankungen äußern sich in hellen und dunklen Lumineszenzstreifen, deren Breite deutlich größer als der mittlere Versetzungsabstand ist. Aus dem Vergleich von KL-Bildern mit Rückstreuelektronenbildern der Oberflächengleitstufen ergeben sich folgende Aussagen: Die KL-Intensität der D3- und D4-Linie ist auf markanten Gleitbändern im Vergleich zur Umgebung verringert, wogegen die Intensität der Linien D1 und D2 auf markanten Gleitbändern erhöht ist. Für die D5-Bande, die D6-, und die P^2SD-Linie kann kein allgemeiner Zusammenhang zwischen der Lokalisierung der Lumineszenz und der Gleitaktivität festgestellt werden. Anhand der experimentellen Ergebnisse kann die D3-Linie als TO-Phononenreplik der D4-Linie identifiziert werden. Für die D4-Lumineszenz werden zwei Rekombinationsmodelle diskutiert. Zum einen kann sie durch die exzitonische Rekombination an eindimensionalen Energiebändern erklärt werden, die durch das Verzerrungsfeld der Versetzungen von den jeweiligen Volumenenergiewerten abgespalten sind. Zum anderen kann auch die Rekombination eines tief gebundenen Elektrons mit einem schwach gebundenen Loch für die D4-Lumineszenz verantwortlich sein. In jedem Fall ist das Auftreten der D4-Linie an die Existenz von relaxierten 60 °- und Schraubenversetzungen gebunden. Die D1-Linie wird als OGamma-Phononenreplik der D2-Linie vorgeschlagen. Die D2-Linie selbst kann als ein strahlender Übergang zwischen zwei gebundenen Zuständen eines zweidimensionalen Potentialtopfs endlicher Tiefe modelliert werden. Die Abmessungen dieses Potentialtopfs sind dabei durch die Ausdehnung von Kinken und Jogs auf der Versetzungslinie gegeben. Allerdings könnte auch ein interner Übergang zwischen den Niveaus eines tiefen Defekts innerhalb der Bandlücke als Erklärung herangezogen werden. Wegen der Zunahme der Lumineszenzintensiät der D2-Linie durch thermische Behandlungen sollten Kinken, Jogs, und Punktdefekte im Verzerrungsfeld der Versetzungen als Ursache der D2-Lumineszenz in Frage kommen. Auch die P^2SD-Linie kann mithilfe von zwei unterschiedlichen Rekombinationsmodellen erklärt werden (free-to-bound-Übergang oder exzitonische Rekombination an zweidimensionalen Energiebändern). Punktdefekte, die während des zweistufigen Verformungsprozesses entstehen, könnten die P^2SD -Linie hervorrufen