Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gegenstand des Projektes war die Entwicklung einer umweltfreundlichen Technologie zur Deposition amorpher und mikrokristalliner, mit Bor und Phosphor dotierter, hydrogenierter Silizium- und Siliziumkarbidschichten. Anwendungsgebiete f\u00fcr diese Materialien sind Solarzellen, D\u00fcnnschichttransistoren, Sensoren und Fotoleiter. Die elektronischen Eigenschaften dieser Materialien werden bei der Herstellung in der Gasphase herk\u00f6mmlich durch Einsatz der Dotantenhydride Phosphin und Diboran f\u00fcr n- bzw. p-leitende Schichten kontrolliert. Das Ziel war es, diese hochtoxischen Gase durch alternative Ausgangsstoffe auf der Basis von sauerstofffreien Kohlenwasserstoffverbindungen zu ersetzen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchung des Dotierprozesses erfolgte in mehreren Versuchsserien unter Substitution der Dotantenhydride durch Triethylbor, Trimethylbor und Trimethylphosphin. Unter Verwendung von Monosilan wurden in einem plasmagest\u00fctzten CVD-Proze\u00df ca. 1 mm dicke Schichten hergestellt. W\u00e4hrend in einem ersten Bearbeitungsabschnitt amorphe hydrogenierte Siliziumschichten (a-Si:H) im Mittelpunkt standen, kamen im zweiten Abschnitt mikrokristalline Siliziumschichten (mc-Si) zum Einsatz. Die Herstellung wurde bei allen drei Projektpartnern durchgef\u00fchrt. Die Auswertung der Schichten erfolgte durch Dunkelleitf\u00e4higkeitsmessungen in Abh\u00e4ngigkeit von der Temperatur, Fotoleitf\u00e4higkeitsmessungen, optischer Auswertung, CPM-Messungen (constant photocurrent method), RAMAN-Messungen und DIG-Messungen (dynamic interference grating). Ziel war es, \u00fcber einen weiten Dotierbereich eine sichere Verfahrenstechnologie zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden an den Ergebnissen mit herk\u00f6mmlichen Dotierverfahren unter Verwendung von Diboran und Phosphin gespiegelt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen von Untersuchungen wurden alternative Ausgangsstoffe f\u00fcr die Dotierung von amorphen und mikrokristallinen Halbleitern auf Siliziumbasis eingesetzt. Die Herstellung dieser Schichten erfolgte mittels plasmagest\u00fctzter CVD in Vakuumanlagen. Es wurden dabei die hochtoxischen Dotantenhydride Diboran und Phosphin durch B- und P-haltige Verbindungen auf Kohlenwasserstoffbasis ersetzt. Dabei waren folgende Aspekte Gegenstand der Untersuchung:
\n– Vorversuche zur Deposition von eigenleitendem, elektrisch hochwertigem amorphem Silizium als Ausgangsmaterial
\n– Dotierung von amorphem Silizium
\n– Deposition von mikrokristallinem Silizium bei hohen Temperaturen (545\u00b0C)
\n– Dotierung von mikrokristallinem Silizium
\n– Implementierung der dotierten mikrokristallinen Schichten in Bauelementestrukturen
\n– Untersuchungen zu gro\u00dffl\u00e4chigen Schichtabscheidungen
\nDie Untersuchungen wurden in der Firma Forschungs- und Applikationslabor Plasmatechnik GmbH Dresden, am Institut f\u00fcr Halbleiter und Mikrosystemtechnik der Technischen Universit\u00e4t Dresden und am Physikalisch-Technischen Institut A.F,Joffe (St. Petersburg) durchgef\u00fchrt. Zum Einsatz kamen die Stoffe Triethylbor, (C2H5)3B, Trimethylbor, (CH3)3B, und Trimethylphosphin, (CH3)3P. Es handelt sich dabei um Verbindungen mit kurzkettigen Alkylresten, die stark luftempfindlich aber als weniger gef\u00e4hrlich eingestuft werden.
\nEin Ziel der Untersuchungen war es, maximale Leitf\u00e4higkeiten der Si-Legierungen unter diesen Bedingungen zu erreichen. Diese dotierten Si-Legierungen sollen als Kontaktschichten f\u00fcr Metall-Halbleiter-Kontakte mit definierter Strom-Spannungs-Kennlinie, als aktive Schichten f\u00fcr fotoelektrische Wandler, als aktive Widerstandsschichten f\u00fcr piezoelektrische Druckwandler und als aktive Schichten f\u00fcr D\u00fcnnfilmtransistoren zum Einsatz kommen.
\nEin Vergleich der alternativ hergestellten Schichten mit den mittels Diboran hergestellten amorphen Siliziumschichten zeigte, da\u00df die maximal erreichbare Leitf\u00e4higkeit von mit Bor dotiertem amorphem Silizium zwei Zehnerpotenzen unter der Leitf\u00e4higkeit der mit Diboran dotierten Schichten liegt. Diese Erscheinung wird vermutlich durch den Einbau des Kohlenstoffs bewirkt und lie\u00df sich nicht einschr\u00e4nken. Die mit Trimethylphosphor dotierten a-Si:H-Schichten erreichen Leitf\u00e4higkeiten von ca. 10-3 S\/cm. Die erreichbare maximale Leitf\u00e4higkeit liegt damit um etwa den Faktor 10 unter der mit Phosphin erreichbaren.
\nDie mikrokristallinen Siliziumschichten wurden mit Trimethylbor dotiert. Die maximale Leitf\u00e4higkeit wurde mit ca. 0,3 S\/cm erreicht. Nach einer Temperaturbehandlung konnte die Leitf\u00e4higkeit auf ca. 0,8 S\/cm verbessert werden. Dieser Wert ist f\u00fcr das alternativ dotierte Material sehr gut und war in der Aufgabenstellung als Zielgr\u00f6\u00dfe angestrebt. Mit der Diborantechnologie konnten jedoch noch um ein bis zwei Gr\u00f6\u00dfenordnungen h\u00f6here Werte erreicht werden. Die Auswertung der Ergebnisse zeigte, da\u00df mittels einer Temperaturbehandlung die Aktivierung der Dotanten bei Verwendung alternativer Dotantenquellen verbessert werden kann. Die mit alternativen Dotantenquellen erreichbaren Schichteigenschaften lassen eine Anwendung als
\n– Kontaktschicht
\n– schwach dotierte Schicht f\u00fcr fotoelektrische Wandler und
\n– Widerstandsschicht f\u00fcr Druckwandler zu.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
In Zusammenhang mit der Arbeit an diesem Projekt stehen nachfolgende Arbeiten:
\n1. M.Albert, H.Gr\u00fcger, U.Stephan, A.Kottwitz; Herstellung von mc-Si mit einer VHF-Helix-Plasmaquelle, 9.Bundesdeutsche Fachtagung Plasmatechnologie, 3.-5.M\u00e4rz 1999, Stuttgart
\n2. Pr\u00e4sentation auf der Veranstaltung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt am 05.07.1999\/Dresden
\nUmweltfreundliche Herstellung dotierter Kontaktschichten auf Basis von hydrogeniertem Silizium
\n3. R.Terasa, M.Albert, H.Gr\u00fcger, A.Haiduk, A.Kottwitz; Investigation of growth mechanisms of microcrystalline silicon in the very high frequency range, August 22-27, 1999, Snowbird, Utah<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, da\u00df alternative Dotantenquellen auf der Basis von Kohlenwasserstoffen in einem weiten Bereich im herk\u00f6mmlichen Dotierproze\u00df eingesetzt werden k\u00f6nnen. Die Maximalwerte in den Schichtparametern werden auf Grund des gleichzeitigen Kohlenstoffeinbaus nicht erreicht.
\nMit diesem Proze\u00df wird die Gef\u00e4hrdungen von Mensch und Umwelt gesenkt. Gleichzeitig k\u00f6nnen die Fertigungskosten in der D\u00fcnnschichtbauelemente-Fertigung durch die Elimination von Anti-Havarie-Aufwendungen und Sicherheitseinrichtungen wesentlich gesenkt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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