Open Access

Tzanimir Vladimirov Arguirov

• This thesis addresses the electro-optical properties of silicon, containing dislocations. The interest in those properties is driven mainly by two practical reasons. One is the optical characterisation of multicrystalline silicon for solar cells, and the other is the design of light emitting diodes based on silicon by enhancement of silicon radiative properties via introduction of dislocations. The work demonstrates that dislocation specific radiation may provide a means for optical diagnostics of solar cell grade silicon. It provides insight into the mechanisms governing the dislocation recombination activity, their radiation, and how are they influenced by other defects present in silicon. We demonstrate that photoluminescence mapping is useful for monitoring the recombination activity in solar cell grade silicon and can be applied for identification of contaminants, based on their photoluminescence signatures. It is shown that the recombination at dislocations is strongly influenced by the presence of metals at the dislocationThis thesis addresses the electro-optical properties of silicon, containing dislocations. The interest in those properties is driven mainly by two practical reasons. One is the optical characterisation of multicrystalline silicon for solar cells, and the other is the design of light emitting diodes based on silicon by enhancement of silicon radiative properties via introduction of dislocations. The work demonstrates that dislocation specific radiation may provide a means for optical diagnostics of solar cell grade silicon. It provides insight into the mechanisms governing the dislocation recombination activity, their radiation, and how are they influenced by other defects present in silicon. We demonstrate that photoluminescence mapping is useful for monitoring the recombination activity in solar cell grade silicon and can be applied for identification of contaminants, based on their photoluminescence signatures. It is shown that the recombination at dislocations is strongly influenced by the presence of metals at the dislocation sites. The dislocation radiation activity correlates with their electrical activity. Thus, photoluminescence mapping at room temperature may provide a means for revealing and characterising of dislocation-rich regions in multicrystalline silicon. It is shown that the dislocation and band-to-band luminescence are essentially anti-correlated. The band-to-band intensity being related to the diffusion length of minority carriers can be used for measurements of diffusion length, as long as the surface recombination rate is controlled. Moreover, photoluminescence mapping can be used for the detection of optically active defects in solar grade materials. Thus, betaFeSi2 precipitates, with a luminescence at 0.8 eV, were detected within the grains of block cast materials. They exhibit a characteristic feature of quantum dots, namely blinking. The second aspect of the thesis concerns the topic of silicon based light emitters for on-chip optical interconnects. The goal is an enhancement of sub-band-gap or band-to-band radiation by controlled formation of dislocation-rich areas in microelectronics-grade silicon as well as understanding of the processes governing such enhancement. For light emitters based on band-to-band emission it is shown, that internal quantum efficiency of nearly 2 % can be achieved, but the emission is essentially generated in the bulk of the wafer. On the other hand, light emitters utilizing the emission from dislocation-rich areas of a well localized wafer depth were explored. Three different methods for reproducible formation of a dislocation-rich region beneath the wafer surface were investigated and evaluated in view of their room temperature sub-band-gap radiation: (1) silicon implantation and annealing, (2) epitaxially grown SiGe buffer, and (3) direct wafer bonding. The most promising dislocation-based emitter appears the utilization of a dislocation network produced by wafer bonding. It is shown, that monochromatic D1 radiation (wavelength 1.5 µm) can be generated in a well localised depth of the wafer. The radiation is not absorbed in silicon and such localized emitter can, potentially, be coupled with silicon waveguides and Ge-based detectors for optical interconnects.…
• Diese Dissertation befasst sich mit den elektro-optischen Eigenschaften von Silizium mit Versetzungen. Das Interesse an den Versetzungseigenschaften beruht vor allem auf zwei praktischen Gründen: Die versetzungsspezifische Lumineszenz erlaubt einerseits optische Charakterisierung von multikristallinen Silizium für Solarzellen und anderseits die Entwicklung einer Silizium-basierten Leuchtdiode. Die Arbeit untersucht zunächst den Einsatz der Versetzungs-spezifische Lumineszenz für die optische Diagnostik von multikristallinen (Versetzungsreichen) Silizium für Solarzellen. Sie liefert Erkenntnisse über die Mechanismen für die versetzungsbedingte Rekombination, Versetzungsstrahlung, und darüber, wie diese durch andere Defekte im Silizium beeinflusst werden. Es wird gezeigt, dass Photolumineszenz-Mapping anwendbar ist für eine großflächige Analyse der Rekombination in Solarzellen-Silizium und für die Identifizierung von Verunreinigungen angewendet werden kann. Es wird gezeigt, dass metallische Verunreinigungen starken Einfluss auf dieDiese Dissertation befasst sich mit den elektro-optischen Eigenschaften von Silizium mit Versetzungen. Das Interesse an den Versetzungseigenschaften beruht vor allem auf zwei praktischen Gründen: Die versetzungsspezifische Lumineszenz erlaubt einerseits optische Charakterisierung von multikristallinen Silizium für Solarzellen und anderseits die Entwicklung einer Silizium-basierten Leuchtdiode. Die Arbeit untersucht zunächst den Einsatz der Versetzungs-spezifische Lumineszenz für die optische Diagnostik von multikristallinen (Versetzungsreichen) Silizium für Solarzellen. Sie liefert Erkenntnisse über die Mechanismen für die versetzungsbedingte Rekombination, Versetzungsstrahlung, und darüber, wie diese durch andere Defekte im Silizium beeinflusst werden. Es wird gezeigt, dass Photolumineszenz-Mapping anwendbar ist für eine großflächige Analyse der Rekombination in Solarzellen-Silizium und für die Identifizierung von Verunreinigungen angewendet werden kann. Es wird gezeigt, dass metallische Verunreinigungen starken Einfluss auf die Rekombination im Bereich der Versetzungen haben und dass die Strahlungsaktivität mit ihrer elektrischen Aktivität korreliert. Versetzungs- und Band-Band-Lumineszenz sind im Wesentlichen antikorrelieret. Die Band-Band-Intensität ist abhängig von der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Daher kann Band-Band Strahlung als Maß für die Diffusionslänge benutzt werden, sofern die Oberflächenrekombination bekannt ist. Darüber hinaus kann Photolumineszenz-Mapping auch für den Nachweis von optisch aktiven Defekten in Solarzellen-Silizium verwendet werden. So wurden betaFeSi2 Ausscheidungen, mit einer Strahlungsenergie von 0,8 eV, innerhalb der Körner von Blockguss Silizium nachgewiesen. Sie zeigen ein charakteristisches Merkmal von Quantenpunkten, das sogenannte Blinken. Der zweite Aspekt der Forschung steht im Zusammenhang mit der Suche nach Silizium-basierten Licht-Emittern für On-Chip optische Interconnects. Das Ziel ist, durch kontrollierte Bildung von versetzungsreichen Gebieten in der Silizium Wafer eine Erhöhung des Sub-Bandgap oder Band-Band-Strahlung zu erreichen und die Prozesse, welche für eine solche Erhöhung verantwortlich sind zu verstehen. Es wird gezeigt, dass Band-Band Licht-Emittern eine interne Quanten-Effizienz von fast 2% erreichen können, aber die Emission entsteht im Wesentlichen im gesamten Volumen des Wafers. Licht Emitter, welche die Emission von versetzungsreichen Gebieten ausnutzen, können dagegen in einer definierten Tiefenschicht eingeschränkt werden. Drei verschiedene Methoden zur reproduzierbaren Bildung der versetzungsreiche Regionen unterhalb der Wafer-Oberfläche wurden untersucht und im Hinblick auf ihre Raumtemperatur Sub-Bandgap-Strahlung bewertet: (1) Silizium-Implantation und Ausheilen, (2) epitaktisch gewachsene SiGe-Puffer, und (3) direktes Wafer-Bonding. Wafer-Bonding erscheint am besten geeignet für versetzungsbasierte Lichtemitter. Es wird gezeigt, dass monochromatische D1-Strahlung (Wellenlänge 1,5 mm) erzeugt werden kann in einer gut lokalisierten Tiefe der Wafer. Die Strahlung wird nicht in Silizium absorbiert und solche lokalisierten Emitter sind möglicherweise geeignet für die Kopplung mit einem Silizium-Wellenleiter und Ge-Detektor für eine optische Interconnects.…