UHV-Präparation und in-situ Analyse. Teilvorhaben D. Abschlussbericht. Bandstrukturdesign: Ladungsträgertransport in Silizium basierten Quantenstrukturen für zukünftige Höchstleistungs-Solarzellen. Laufzeit des Teilvorhabens: 01.04.2005 bis 31.03.2008
(Deutsch)
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Im Teilprojekt D wurden Si/SiO und Quantenpunkt-Strukturen im Ultrahochvakuum erfolgreich präpariert. An diesen Modellstrukturen wurden in situ die atomar-chemische Struktur und elektronischen Zustandsdichten an den Si/SiO Grenzflächen bestimmt sowie deren Einfluss auf die Photoleitung solcher Strukturen untersucht. Entscheidende Vorrausetzungen für Si/SiO sind abrupte Grenzflächen sowie eine hohe Kristallinität. Durch geeignete Plasma-Oxidation konnten strukturell abrupte Grenzflächen mit extrem geringem Suboxid-Anteil von 2-4 % realisiert werden, die zugleich den Vorteil einer hohen thermischen Stabilität aufweisen, so dass eine Kristallisation der ursprünglich amorphen Si-Quantenschichten bei 1000 Grad C möglich ist. Zur Herstellung von Si-Quantenpunkten in einer SiO im UHV wurde ein Präparationsverfahren unter Verwendung einer SiO entwickelt. Quantenpunkt-Größe und -Dichte können dabei im relevanten Bereich durch Variation der Schichtdicke und der Stöchiometrie eingestellt werden. Photoelektrische Messungen weisen einen Photostrom in bis zu 3 nm dünnen einzelnen Quantenschicht-Strukturen nach. Die spektrale Abhängigkeit des Photostroms korreliert mit der kristallinen Struktur der Quantenschichten. Die Quantenausbeute ist relativ gering, was auf den inhärenten und entscheidenden Einfluss der Si/SiO zurückzuführen ist. Zur in situ Untersuchung von Grenzflächenzustandsdichten wurde die Methode der Photoelektronenspektroskopie mit Anregung im nahem-UV-Bereich (NUV-PES) etabliert. Damit gelang der Nachweis der effektiven Passivierung von Defektzuständen an den Grenzflächen und sowie an den Korngrenzen mittels thermischen atomarem Wasserstoff, was zu einer Steigerung der Quantenausbeuten um eine Größenordnung führte. Damit verbunden sind Zunahmen der Minoritäts- und Majoritäts Ladungsträger-Lebensdauern sowie eine Verringerung der Grenzflächen-Rekombinations-Geschwindigkeiten. Ein Photostrom konnte auch in einer 10 nm dicken Quantenpunkt-Schicht nachgewiesen werden. Die quantitative Analyse der internen Quantenausbeute der Photoleitung deutet hier auf eine effiziente Grenzflächenpassivierung während des selbstorganisierten Wachstums der Quantenpunkte hin.
In sub-project D Si/SiO quantum well and quantum dot structures were successfully prepared under ultra-high vacuum conditions. For these model systems the atomic-chemical structure of the Si/SiO interface and its density of electronic defect states were determined in situ and the influence of these properties on photoelectrical performance was investigated. Essential prerequisites tor Si/SiO quantum well structures are abrupt interfaces and a high crystallinity. By appropriate plasma oxidation structurally abrupt interfaces with extremely low suboxide amounts of (2-4%) were fabricated, which have the advantage of a high thermal stability. Thus, crystallization of the initially amorphous Si quantum wells at temperatures as high as 1000 deg C has been achieved. For the UHV preparation of Si quantum dots in a SiO matrix layer a procedure employing a SiO capping layer has been developed. Quantum dot size and density were tuned in the relevant ranges by variation of the layer thickness and stoichiometry, respectively. Photo-electrical measurements could proof a photocurrent in down to 3 nm thin single quantum well structures. The spectral response of the photocurrent correlates with the crystalline structure of quantum wells. The quantum efficiency is relatively 10w, reflecting the inherent and decisive influence of Si/SiO interface gap states. For the in situ study of interfacial gap state densities, photoelectron spectroscopy with excitation in the near-UV spectral range (NUV-PES) has been established. It has been demonstrated that defect states at the interfaces and grain boundaries can be effectively passivated by thermal hydrogen atoms, leading to an increase in quantum efficiency by about one order of magnitude. This is accompanied by an increase of minority as well as majority charge carrier lifetimes and a reduction of the interfacial recombination velocity. A photocurrent could also be detected in 10 nm thick quantum dot layers. The quantitative analysis of the internal quantum efficiency points on an efficient interface passivation during the self-growth of the quantum dots.
UHV-Präparation und in-situ Analyse. Teilvorhaben D. Abschlussbericht. Bandstrukturdesign: Ladungsträgertransport in Silizium basierten Quantenstrukturen für zukünftige Höchstleistungs-Solarzellen. Laufzeit des Teilvorhabens: 01.04.2005 bis 31.03.2008