Nucleation and growth during the formation of polycrystalline silicon thin films

Dünne Schichten polykristallines Silizium (poly-Si) auf Fremdsubstraten sind für großflächige, elektronische Bauelemente wie Displays, Sensoren und Solarzellen von Interesse. Solche Schichten können mit dem Aluminium-induzierten Schichtaustausch (ALILE) Prozess hergestellt werden. Im ALILE Prozess tauschen eine Aluminium und eine amorphe Silizium (a-Si) Schicht ihre Position durch einen einfachen Temperschritt unterhalb der eutektischen Temperatur (Teu = 577 °C) des Al-Si Systems. Dabei wird das Silizium kristallisiert. Die resultierende poly-Si Schicht is großkörnig, was eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit verspricht, und weist eine kristallographische (100) Vorzugsorientierung auf, was eine Verdickung mittels Niedertemperaturepitaxie erleichtert. In dieser Dissertation werden Glas/Al/a-Si Schichtstapel mittels optischer Mikroskopie in-situ während des ALILE Prozesses untersucht. Die Rolle einer dünnen Zwischenschicht wird beleuchtet. Während die Nukleation in einem isothermen Temperexperiment durch Übersättigung von Silizium in der Aluminiumschicht hervorgerufen wird, kann diese zusätzlich durch Unterkühlung während der Temperung verstärkt werden. Durch den Einsatz von Temperaturprofilen wird der Mechanismus hinter dem ALILE Prozess aufgeklärt. Der Prozess wird auf der Basis von thermodynamischen Überlegungen im Al/Si Phasendiagramm diskutiert. Die Definition von Siliziumkonzentrationsgrenzen im Al demonstriert, dass die groen Körner in der resultierenden poly-Si Schicht durch eine charakteristische selbstlimitierte Unterdrückung der Nukleation im Schichtaustauschprozess hervorgerufen wird. Ist die Siliziumkonzentration größer als die Sättigungskonzentration aber kleiner als die kritischen Konzentration so wachsen bestehende Körner weiter während weiter Nukleation unterdrückt wird. Mit thermodynamischen Überlegungen über Nukleation und Wachstum wird ein Modell entwickelt, das den Ursprung der Vorzugsorientierung in den Schichten erklärt. Sowohl die experimentellen als auch theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen es Rezepte zur Optimierung der polykristallinen Siliziumschichten zu entwickeln. Solarzellen aus dünnen polykristallinen Siliziumschichten haben das Potential hohe Wirkunsgrade bei sehr niedrigen Kosten zu erreichen. Damit sind Sie geeignete Kandidaten für die Solartechnologie der mittelfristigen Zukunft