Kinetics of charge carriers in Si/SiNx heterojunctions

Abstract

In the present work charge carrier kinetics at the Si/SiNx interface are investigated. SiNx films deposited on silicon wafers by plasma-enhanced chemical deposition (PECVD) act as antireflecting and surface recombination passivating layers in solar cells. PECVD SiNx films are a low-temperature and cheap promising alternative to the standard silicon passivation method by thermal oxidation involving high temperatures. The aim of this work is to characterize the Si/SiNx interface by (photo)-conductance and impedance methods. Impedance (C-V) measurements have been performed on Si/SiNx Metal- Insulator-Semiconductor structures and (photo)electrochemical cells. A positive fixed surface charge density over 10¬12cm-2 and donor and acceptor- like gaussian distributions over 1011cm-2eV -1 around mid-gap have been found to characterize the Si/SiNx interface. This fixed charge brings the n-Si into strong accumulation regime and the p-Si into strong inversion regime without the need of an applied external voltage. Potential-modulated microwave reflection measurements have been proved to be a compatible and valuable characterization technique at electrochemical cells, confirming and complementing the impedance characterization. Cyclic voltammetry and photoelectrochemical measurements have shown that SiNx is not an inert layer in Si/SiNx devices. It has been proved that leakage currents change the Si/SiNx electronic configuration and that charge carriers can be exchanged between the layers. SiNx has proven to be not appropriate for (photo)catalytic applications in aqueous medias. Time Resolved Microwave Conductivity measurements have been performed on electrochemical cells as a function of the applied potential. It has been found that the SiNx passivation on Si wafers is induced by a field effect. Dark conductivity microwave measurements on p-Si/SiNx samples suggest a strongly reduced mobility of electrons at the interface, probably due to the presence of a high density of interface states. TRMC and Surface Photovoltage (SPV) measurements show a strongly non linear recombination behavior at low injection levels which is quenched with increasing injection level. This decay at low injection levels is not characteristic of p-Si/SiO2 and cannot be easily ascribed to a recombination over the potential barrier of the depletion layer.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Untersuchung der Ladungsträgerkinetik an der Si/SiNx Grenzfläche. SiNx Schichten werden mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf Silizium abgeschieden und dienen als Antireflektionsschicht sowie zur Oberflächenpassivierung in Form einer Reduktion der Rekombinationsprozesse bei Silizium-Solarzellen. Die durch PECVD hergestellten SiNx Schichten bieten eine auf niedrigen Temperaturen basierende, günstige Alternative zu konventionellen Passivierungsmethoden von Silizium durch thermische Oxidation unter Einsatz hoher Temperaturen. Ziel dieser Arbeit ist eine Charakterisierung der SiNx Grenzfläche mit (Foto)-Leitfähigkeits- und Impedanzmessungen. Impedanzmessungen (C-V) wurden an Si/SiNx Metall-Isolator-Halbleitersystemen und (Foto)elektrochemischen Zellen durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die Si/SiNx Grenzfläche durch eine feste positive Oberflächenladung mit Werten über 1012cm-2 und einer Donor- und Akzeptorzuständen ähnlichen gaußförmigen Verteilung mit Werten über 1011cm-2eV -1 nahe der Mitte der Bandlücke charakterisiert wird. Die feste Ladung bewirkt ohne äußeres angelegtes Potential eine starke Anreicherungszone im n-Si, sowie eine starke Inversionszone im p-Si. Potentialmodulierte Mikrowellenreflektionsmessungen haben sich als passende und wertvolle Untersuchungsmethode für elektrochemische Zellen erwiesen, welche die Charakterisierung durch Impedanzmessungen bestätigen und vervollständigen können. Die Untersuchungen mittels zyklischer Voltammetrie sowie fotoelektrochemische Messungen haben gezeigt, dass SiNx keine inerte Schicht in Si/SiNx Systemen ist. Es konnte gezeigt werden, dass Leckströme die elektronische Konfiguration des Si/SiNx Systems dahingehend ändern, dass ein Ladungsträgeraustausch zwischen den Schichten möglich ist. SiNx zeigte sich ungeeignet für die Anwendung in (foto)katalytischen Systemen in wässrigen Medien. Zeitaufgelöste Mikrowellenleitfähigkeitsmessungen wurden an elektrochemischen Zellen durchgeführt unter Änderung des angelegten Potentials. Die Passivierung von Si-Wafern durch SiNx konnte als Folge eines Feldeffektes identifiziert werden. Dunkel-Leitfähigkeit Mikrowellenmessungen an pSi/SiNx Proben deuten auf eine stark eingeschränkte Beweglichkeit der Elektronen an der Grenzfläche hin, welche wahrscheinlich auf eine hohe Dichte von Grenzflächenzuständen zurückgeführt werden kann. TRMC und Oberflächen- Fotospannungsmessungen (SPV) zeigten ein stark nicht-lineares Rekombinationsverhalten für niedrige Injektionsdichten, welches mit ansteigender Injektionsdichte unterdrückt wird. Dieses Abklingen bei niedriger Injektionsdichte ist nicht charakteristisch für pSi/SiO2 und kann nicht (leicht) einer Rekombination über die Potentialbarriere der Verarmungsschicht zugeschrieben werden.