Institut Silizium-Photovoltaik
Wissenschaftliche Fragestellungen
Bandoffset
Der Valenz/Leitungsband Offset der amorph/kristallinen Silizium Heterogrenzfläche, ΔEV, ΔEC, bestimmt ganz wesentlich den Bandverlauf und die Grenzflächenrekombination der a-Si:H/c-Si Heterostruktur. Wenn man die a-Si:H Schichtdicke auf dem kristallinen Substrat variiert, kann man den Valenzband-Offset ΔEV einer a-Si:H/c-Si Heterostruktur mittels im nahem Ultraviolett angeregter Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES) unmittelbar ausmessen.
Abb. 1: (a.) Bandschema des a-Si:H/c-Si Heteroübergangs. Blau: besetzte Zustände, diese liefern einen Beitrag zum PES-Spektrum. Die energetische Lage von EF und EV ist aus PES-Messungen bestimmbar, für hinreichend dünne a-Si:H Schichten (d<PES-Informationstiefe) ebenso der a-Si:H/c-Si Valenzbandoffset ΔEV.(b.) PES-Spektren an a-Si:H(intrinsisch)/c-Si(p) Heterostrukturen (PECDV, Tdep = 170°C) mit verschiedenen Schichtdicke da-Si (bestimmt mit Ellipsometrie an a-Si:H auf SiO2).
Die PES-Messergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt: Für zwei unter identischen Bedingungen deponierte Schichten mit Dicken von 175 nm bzw. 21 nm erhält man identische PES-Spektren (gemessen mit CFSYS). Die 2,8 nm dünne amorphe Schicht zeigt sowohl für Energien E-EV<0 eV als auch oberhalb von E-EV~0,4 eV einen mit den Spektren der beiden dicken Schichten im Rahmen der Messgenauigkeit deckungsgleichen Verlauf.
Im Intervall 0=E-EV<0,4 eV gibt es dagegen eine signifikante Abweichung hin zu höheren Zustandsdichten. Diese interpretieren wir als einen Beitrag vom unter der amorphen Schicht liegenden kristallinen Substrat, das bis zur c-Si Valenzbandkante EVc-Si ebenfalls eine Zustandsdichte in der gleichen Größenordnung wie das a-Si besitzt - erreicht die a-Si Schichtdicke einen mit der PES-Informationstiefe (d.h. der Tiefe, aus der von der Photonenquelle angeregte Elektronen noch die Oberfläche erreichen und detektiert werden können) vergleichbaren Wert, dann ist das gemessene N(E)-Spektrum eine Überlagerung der a-Si:H- mit der c-Si-Zustandsdichte. Die Valenzbandkante des c-Si ist dabei um den a-Si:H/c-Si Valenzbandoffset ΔEV=EVc-Si-EVa-Si~0,4 eV gegen die Valenzbandkante des a-Si:H verschoben. Der so bestimmte Wert für ΔEV liegt im Bereich der Literaturwerte, die allerdings größtensteils aus elektrischen Messungen an dicken a-Si:H Schichten unter einer Reihe von Annahmen errechnet wurden. Das alternative Szenario, dass die amorphe Schicht bei Dicken um 3 nm nicht mehr geschlossen ist und im PES Spektrum gleichzeitige Beiträge von nebeneinanderliegenden amorphen und kristallinen Bereichen zu sehen sind, ist nach elektrischen Messungen zur Schichtgeschlossenheit an 5 nm dicken a-Si:H Schichten mit großer Wahrscheinlichkeit auszuschließen.