Silicon nanocrystal films for electronic applications [Elektronische Ressource] / Robert W. Lechner

Robert Herrick

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 17
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

Walter Schottky Institut
Zentralinstitut für physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik



Silicon Nanocrystal Films for Electronic Applications

Robert W. Lechner


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik
der Technischen Universität München
zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)

genehmigten Dissertation.


Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. P. Vogl
Prüfer der Dissertation: 1. Univ. Prof. Dr. M. Stutzmann
2. Univ.-Prof. Dr. F. Simmel


Die Dissertation wurde am 30.10.2008 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät für Physik am 06.02.2009 angenommen. Contents
Zusammenfassung 7
1 Introduction:PrintableSemiconductors 11
1.1 Organicsemiconductors . . . ...........................16
1.2 Semiconductornanoparticles............................17
1.2.1 Sizeandsurface....................17
1.2.2 Materials..........18
1.2.3 Growingsiliconnanocrystals........................19
1.3 ChapterOverview . . . . . . . ...........................21
2 ExperimentalMethods 23
2.1 MaterialProcessing . . . . . . .23
2.1.1 Gasphaseproductionofsiliconnanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2 Substrates..................................27
2.1.3 Dispersingsiliconnanoparticles......................28
2.1.4 Digitaldoping . . . . . . .29
2.1.5 Spin-coating........30
2.1.6 Oxideetching...........31
2.1.7 Lasercrystallization . . ................32
2.1.8 Metalevaporation . . . . ...............33
2.1.9 Amorphoussilicondeposition.......................34
2.1.10 Thermalannealing . . . . ...........34
2.1.11 AluminumEtching . . . . .35
2.1.12 HydrogenPassivation. . ................35
2.2 AnalyticalMethods.......................36
2.2.1 ChemicalAnalysis.............................36
2.2.2 Structuralanalysis . . .37
2.2.3 OpticalSpectroscopy . . .40
2.2.4 ElectricalCharacterizationTools......................43
3 PhysicsofSiliconNanocrystals 47
3.1 Electronconfinement................................47
3.2 Metastabilityofnanocrystals ...............48
3.2.1 Sinteringofnanoparticles...........49
3.2.2 Sizedependentmeltingofnanocrystals.50
3.3 VibrationalProperties . . ..............................52
3.3.1 Ramanspectroscopy . . . ...............53
3.3.2 Phononconfinementmodel . . . . . . ..................55
3.4 OpticalProperties . . . . . . . ...........57
3.4.1 Bandstructureanddielectricconstant......57
3.4.2 Freecarrierabsorption . ................59
3Contents
3.4.3 Effectivemediumapproaches.......................60
3.5 DopingofSiliconNanocrystals...........................60
3.5.1 Bulksilicondopantspeciesandsolubilities................61
3.5.2 Formationenergyandself-purification...................62
3.5.3 Bindingenergyoractivationenergy......63
3.6 ElectricalTransportinNanocrystalLayers.......64
3.6.1 Percolationtransport ............................64
3.6.2 Discretenessofdopantsanddefects....................65
3.6.3 Coulombblockade . . . ..............6
3.6.4 Spacechargelimitedcurrent,tunnelingandhoppingtransport . . . . . . 67
3.6.5 GrainBoundariesandDefects.......................68
3.6.6 Potentialfluctuations............................71
4 PropertiesofSiliconNanoparticleLayers 73
4.1 StructuralProperties . . . .............................73
4.1.1 Morphology . . . . . . . . ........................73
4.1.2 Crystalinity....................78
4.1.3 RamanAnalysis78
4.1.4 EPRanalysis..................84
4.2 ChemicalAnalysis....................8
4.2.1 Contaminationlevels . . .8
4.2.2 Surfaceoxidation . . . . ..............89
4.2.3 Dopantconcentration . . .91
4.3 OpticalPropertiesofSiliconParticleFilms....................95
4.3.1 Reflectivityspectra.............................95
4.3.2 Indexofrefraction . . . .............96
4.3.3 Effectivemediuminterpretation........98
4.3.4 Opticalabsorption . . . ..............9
4.4 ElectricalPropertiesofSiliconParticleFilms . . . . ...............104
4.4.1 Electricalconductivity . ..........................105
4.4.2 Carriercompensation . . .108
4.4.3 Temperaturedependentconductivity....................109
4.4.4 Photoconductivity . . . . . ........................11
4.4.5 Thermalannealing . . . . . .113
5 Aluminum-InducedRecrystallizationofNanocrystallineSiliconLayers 117
5.1 Aluminum-InducedLayerExchangewithAmorphousSilicon..........117
5.1.1 LayerStructure......................117
5.1.2 Layerexchange . . . . . . . .118
5.1.3 DrivingForce . . . . . . . . ..........119
5.1.4 Al-SiPhaseDiagram.....120
5.1.5 ThermalActivation . . . .................122
5.1.6 InterfaceReactions . . . ..........122
5.1.7 DiffusionProcesses . . . .124
5.1.8 Oxidebarrier-freestructures........................124
5.1.9 StructureoftheSiliconPrecursor.........124
5.2 ALILEwithSiliconNanocrystals.125
5.2.1 StructuralProperties . . ..........................125
4Contents
5.2.2 ProcessDynamics.............................131
5.2.3 PhenomenologicalmodelforALILEwithsiliconparticlelayers . . . . . 138
5.2.4 OpticalProperties. . . . . .139
5.2.5 ElectricalProperties . . ................141
5.3 AcceptorPassivationofALILEcrystallizedSiliconnanocrystals . . . . . . . . . 143
5.3.1 Effusionexperiments . . ...........143
5.3.2 Electricalpropertiesofpassivatedlayers..................146
5.3.3 GrainboundarybarriersinALILErecrystallizedfilms..........146
6 LaserAnnealingofSiliconNanocrystalLayers 149
6.1 LaserCrystallizationofSilicon...........................149
6.1.1 Lasersystems . . . . . . . .........................149
6.1.2 Pulsedlasercrystallizationofamorphoussilicon.............150
6.1.3 Stepwiselasercrystallization...........151
6.1.4 Lasercrystalizationofsiliconnanocrystals................151
6.2 StructuralProperties . . . . . ...........................152
6.2.1 Morphology . . . . . . . . . .......................152
6.2.2 Ramananalysisoflaser-crystallizedfilms.158
6.2.3 Defectdensity.......160
6.2.4 DopantSegregation . . . . ...........161
6.3 OpticalProperties . . . . . . . .................162
6.3.1 Absorptioncoefficient...........................162
6.3.2 Fanoefect.......................163
6.4 ElectricalPropertiesofLaser-AnnealedSiliconParticleLayers . . . . . . . . . . 168
6.4.1 Electricalconductivityafterlaserannealing.168
6.4.2 Influenceofthedopingontheelectricalconductivity . . . . . . . . . . . 170
6.4.3 Conductivityofdigitallydopedlayers...................174
6.4.4 Impedancespectroscopy ..........................175
6.4.5 Carriercompensationinlaser-annealedsiliconnanocrystals . . . . . . . 177
6.4.6 Temperaturedependentconductivity.......179
6.4.7 Carriermobility.....................181
6.4.8 Anisotropyoftheelectricalconductivity..................183
6.5 ThermoelectricPropertiesofLaser-AnnealedPrintedSiliconLayers . . . . . . . 183
6.5.1 Seebeckcoefficient...............184
6.5.2 Q-function.................................187
6.5.3 Thermalconductivity . ...........................191
6.5.4 Figureofmerit.....................194
7 SummaryandOutlook 197
7.1 Summary........................197
7.2 Outlook.........................200
7.2.1 pn-Junctions........................200
7.2.2 FieldEffectinRecrystallizedNanoparticleLayers............202
7.2.3 ThermoelectricDevices ................203
Acknowledgements 207
Listofpublications 209
5Contents
Bibliography 211
6Zusammenfassung
Als der wesentliche Vorteil der konventionellen Mikroelektronik hat sich die Möglichkeit be-
währt,dieIntegrationsdichtederHalbleiterbauelementedurchwachsendentechnologischenAuf-
wand stetig weiter in die Höhe zu treiben, um so stetig steigende Rechenleistungen auf immer
kleinererFlächezuerzielen. ImGegensatzdazukonntesichaberüberdieletztenJahrzehnteauch
diesogenannteMakroelektronikbehaupten. ZudieserlassensichgroßflächigeelektronischeAn-
wendungenzählen,indenenauchdieHalbleiterbauelementeeinedementsprechendgroßeFläche
einnehmen,soetwadieBildschirmtechnologie,diePhotovoltaik,großflächigeLichtquellen,aber
auchz.B.großflächigeRöntgendetektoren. FernerhinAnwendungen,diezwarheutenochkeine
große wirtschaftliche Rolle spielen, denen aber enormes Potential zugetraut wird, wie passive
Funketiketten(RFIDs)oderthermoelektrischeEnergiewandlerzurNutzungvonAbwärme.
In diesen Bereichen besteht keine Notwendigkeit oder nicht einmal die Möglichkeit, die Halb-
leiterelemente weiterzu verkleinern. Stattdessen isthier oftdie Senkung derProduktkosten pro
Fläche das Ziel. Einsparmöglichkeiten bieten sich hier vor allem durch den Einsatz alterna-
tiver kostengünstigerer Materialsysteme und durch großflächige Abscheidemethoden. "Druck-
bare Elektronik" ist in diesem Zusammenhang zu einem Schlagwort geworden, das den Traum
ausdrückt,einegutbeherrschteundleichtskalierbareTechnologiewiedasDruckenaufAnwen-
dungen zu übertragen, die bisher der Halbleiterhochtechnologie vorbehalten blieben. Um aber
Halbleiterzuverdrucken,müssenentwederdie