Silizium: die Kluft zwischen kristalliner und amorpher Struktur

  • 02. November 2011

Die Konfigurationsenergie amorphen Siliziums ist um 50 Prozent geringer als bisher angenommen.

Im Unterschied zu kristallinen Materialien, bei denen die Atome in einem klar definierten Zustand räumlich periodisch angeordnet sind, besitzen amorphe Substanzen keine eindeutige Gitterenergie: Atome in amorphen Strukturen können in verschiedenen Konstellationen mit variierender Energie ungeordnet sein. Bereits Ende der 1980er Jahre sagten Theoretiker voraus, dass amorphes Silizium lediglich oberhalb eines gewissen Mindestmaßes an Unordnung existieren kann. Diese Konfiguration der geringsten Unordnung, auch bekannt als „relaxierter Zustand“, führt zu größtmöglicher Materialstabilität. Amorphes Silizium ist in neuen Generationen von Solarzellen, Flachbildschirmen und anderer Elektronik weit verbreitet. Heutige Dünnfilm-Abscheidetechnologien sind daher bestrebt, diesem relaxierten Zustand in der Herstellung so nahe wie möglich zu kommen.

Abb.: Kristallines Gitter und amorphe Struktur aus Silizium. (Bild: R. Vink, APS)

Abb.: Kristallines Gitter und amorphe Struktur aus Silizium. (Bild: R. Vink, APS)

Trotz der grundlegenden Bedeutung der theoretischen Voraussagen konnte die Energie amorphen Siliziums bisher noch nicht korrekt bestimmt werden. Forschern der Universitäten Girona und Barcelona sowie des französischen CNRS haben nun 20 Proben aus verschiedenen Abscheidemethoden mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) untersucht. Die Autoren heben hervor, dass zwar auch bei identischem Abscheideverfahren variierende Werte für verschiedene Proben ermittelt wurden, der Minimalwert jedoch für alle Technologien identisch ist. Das führt zu der Schlussfolgerung, dass diese Mindestenergie tatsächlich die des relaxierten Zustandes sein muss. Ihr Wert liegt 50% unter dem bisherigen Referenzwert. Er kann als zentraler Parameter in die theoretische Simulation amorphen Siliziums einfließen, da die Modelle zur Beschreibung des Materials als umso realistischer gelten, je mehr sie sich diesem Wert annähern.

Die neuen Ergebnisse helfen darüber hinaus auch zu verstehen, wie die langjährigen praktischen Erkenntnisse aus der Abscheidung amorphen Siliziums einzuordnen sind: die besten Schichten werden durch Abscheidung aus der Gasphase gewonnen oder enthalten Wasserstoffatome in ihrer Struktur (hydrogeniertes amorphes Silizium).

pss / PH

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