Doping allows us to modify semiconductor materials for desired properties such as conductivity, bandgap, and / or lattice parameter. A small portion replacement of the highly mismatched isoelectronic dopants with the host atoms of a semiconductor can result in drastic variation of its structural, optical, and / or electronic properties. Here, the term "mismatch" describes the properties of atom size, ionicity, and / or electronegativity. This thesis presents the fabrication of two kinds of highly mismatched semiconductor alloys, i.e., Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x). The structural and optical properties of the prepared Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) have been investigated. The results suggest an efficient above-solubility doping induced by non-equilibrium methods of ion implantation and ultrashort annealing. Pulsed laser melting promotes the regrowth of monocrystalline Ge(1-x)Sn(x), whereas flash lamp annealing brings about the formation of high quality GaAs(1-x)N(x) with room temperature photoluminescence. The bandgap modification of Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) has been verified by optical measurements of spectroscopic ellipsometry and photoluminescence, respectively. In addition, effective defect engineering in GaAs has been achieved by flash lamp annealing, by which a quasi-temperature-stable photoluminescence at 1.3 µm has been obtained. / Dotierung ermöglicht es, die Eigenschaften von Halbleitermaterialien, wie Leitfähigkeit, aber auch Bandabstand und / oder Gitterkonstanten gezielt zu verändern. Wenn ein Halbleiter mit einer kleinen Menge unterschiedliche Fremdatome dotiert wird, kann dies in einer drastischen Modifikation der strukturellen, optischen und / oder elektronischen Eigenschaften resultieren. Der Begriff "unterschiedlich" bedeutet hier die Eigenschaften von Atomgröße, Ioniztät und / oder Elektronegativität. Diese Doktorarbeit beschreibt die Herstellung von zwei Arten von stark fehlangepassten Halbleiterlegierungen: Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x). Die strukturellen und optischen Eigenschaften von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurden untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine effiziente Dotierung oberhalb der Löslichkeit, induziert durch die Nicht-Gleichgewichtsverfahren Ionenimplantation und Ultrakurzzeit-Ausheilung. Gepulstes Laserschmelzen ermöglicht das Nachwachsen von monokristallinem Ge(1-x)Sn(x), während die Blitzlampenausheilung in der Bildung von GaAs(1-x)N(x) hoher Qualität mit Photolumineszenz bei Raumtemperatur resultiert. Die Änderung der Bandlücke von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurde durch die optischen Methoden der spektroskopischen Ellipsometrie und Photolumineszenz verifiziert. Darüber hinaus konnte in ausgeheiltem GaAs eine quasi-temperaturstabile Photolumineszenz bei 1,3 µm beobachtet werden.

Higher conversion efficiencies while reducing costs at the same time is the ultimate goal driving the development of solar cells. Multi-crystalline silicon has attracted considerable attention because of its high stability against light soaking. In case of solar grade multi-crystalline silicon the rigorous control of metal impurities is desirable for solar cell fabrication. It is the aim of this thesis to develop a new manufacturing process optimized for solar-grade multi-crystalline silicon solar cells. In this work the goal is to form solar cell emitters in silicon substrates by plasma immersion ion implantation of phosphine and posterior millisecond-range flash lamp annealing. These techniques were chosen as a new approach in order to decrease the production cost by reducing the amount of energy needed during fabrication. Therefore, this approach is called “Low Thermal Budget” process. After ion implantation the silicon surface is strongly disordered or amorphous up to the depth of the projected ion range. Therefore, subsequent annealing is required to remove the implantation damage and activate the doping element. Flash lamp annealing in the millisecond-range is demonstrated here as a very promising technique for the emitter formation at an overall low thermal budget. During flash lamp annealing, only the wafer surface is heated homogeneously to high temperatures at a time scales of ms. Thereby, implantation damages are annealed and phosphorous is electrically activated. The variation of pulse time allows to modify the degree of annealing of the bulk region to some extent as well. This can have an influence on the gettering behavior of metallic impurities. Ion implantation doping got in distinct consideration for doping of single-crystalline solar cells very recently. The efficient doping of multi-crystalline silicon remains the main challenge to reduce costs. The influence of different annealing techniques on the optical and electrical properties of multi-crystalline silicon solar cells was investigated. The Raman spectroscopy showed that the silicon surface is amorphous after ion implantation. It could be demonstrated that flash lamp annealing at 1000 °C for 3 ms even without preheating is sufficient to recrystallize implanted silicon. The sheet resistance of flash lamp annealed samples is in the range of about 60 Ω/□. Without surface passivation the minority carrier diffusion length in the flash lamp annealed samples is in the range of 85 µm. This is up to one order of magnitude higher than that observed for rapid thermal or furnace annealed samples. The highest carrier concentration and efficiency as well as the lowest resistivity were obtained after annealing at 1200 °C for 20 ms for both, single- and multi-crystalline silicon wafers. Photoluminescence results point towards phosphorous cluster formation at high annealing temperatures which affects metal impurity gettering within the emitter. Additionally, in silicon based solar cells, hydrogen plays a fundamental role due to its excellent passivation properties. The optical and electrical properties of the fabricated emitters were studied with particular interest in their dependence on the hydrogen content present in the samples. The influence of different flash lamp annealing parameters and a comparison with traditional thermal treatments such as rapid thermal and furnace annealing are presented. The samples treated by flash lamp annealing at 1200 °C for 20 ms in forming gas show sheet resistance values in the order of 60 Ω/□, and minority carrier diffusion lengths in the range of ~200 µm without the use of a capping layer for surface passivation. These results are significantly better than those obtained from rapid thermal or furnace annealed samples. The simultaneous implantation of hydrogen during the doping process, combined with optimal flash lamp annealing parameters, gave promising results for the application of this technology in replacing the conventional phosphoroxychlorid deposition and diffusion.

The progress in device performance of modern microelectronic technology is mainly driven by down-scaling. In the near future, this road will probably reach a point where physical limits make even more down-scaling impossible. The substitution of single components materialwise over the last decades, like high-k dielectrics or metal gates, has been a suitable approach to foster performance improvements. In this scheme, the integration of high-mobility III-V compound semiconductors as channel materials into Si technology is a promising route to follow for the next one or two device generations. III-V integration, today, is conventionally performed by using techniques like molecular beam epitaxy or wafer bonding which utilize solid phase crystallization but suffer to strain due to the lattice mismatch between III-V compounds and Si. An alternative approach using sequential ion beam implantation in combination with a subsequent flash lamp annealing is presented in this work. Using this technique, nanocrystals from various III-V compounds have been successfully integrated into bulk Si and Ge as well as into thin Si layers which used either SOI substrates or were grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition. The III-V compounds which have been fabricated are GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, GaSb and InxGa1-xAs with variable composition. The structural properties of these nanocrystals have been investigated by Rutherford backscattering, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, including bright-field, dark-field, high-resolution, high-angle annular dark-field and scanning mode imaging, electron-dispersive x-ray spectroscopy and energy-filtered element mapping. Furthermore, Raman spectroscopy and X-ray diffraction have been performed to characterise the nanocrystals optically. In Raman spectroscopy, the characteristic transversal and longitudinal optical phonon modes of the different III-V compounds have been observed. These signals proof that the nanocrystals have formed by the combination of ion implantation and flash lamp annealing. Additionally, the appearance of the typical phonon modes of the respective substrate materials verifies recrystallization of the substrate by the flash lamp after amorphisation during implantation. In the bulk Si samples, the nanocrystals have a circular or rectangular lateral shape and they are randomly distributed at the surface. Their cross-section has either a hemispherical or triangular shape. In bulk Ge, there are two types of precipitates: one at the surface with arbitrary shape and another one buried with circular shape. For the thin film samples, the lateral shape of the nanocrystals is more or less arbitrary and they feature a block-like cross-section which is limited in height by the Si layer thickness. Regarding crystalline quality, the nanocrystals in all samples are mainly single-crystalline with only a few number of stacking faults. However, the crystalline quality in the bulk samples is slightly better than in the thin films. The X-ray diffraction measurements display the (111), (220) and (311) Bragg peaks for InAs and GaAs as well as for the InxGa1-xAs where the peaks shift with increasing In content from GaAs towards InAs. The underlying formation mechanism is identified as liquid phase epitaxy. Hereby, the ion implantation leads to an amorphisation of the substrate material which is then molten by the subsequent flash lamp annealing. This yields a homogeneous distribution of the implanted elements within the melt due to their strongly increased diffusivity in the liquid phase. Afterwards, the substrate material starts to recrystallize at first and an enrichment of the melt with group-III and group-V elements takes place due to segregation. When the temperature is low enough, the III-V compound semiconductor starts to crystallize using the recrystallized substrate material as a template for epitaxial growth. In order to gain control over the lateral nanocrystal distribution, an implantation mask of either aluminium or nickel is introduced. Using this mask, only small areas of the samples are implanted. After flash lamp treatment, nanocrystals form only in these small areas, which allows precise positioning of them. An optimal implantation window size with an edge length of around 300nm has been determined to obtain one nanocrystal per implanted area. During an additional experiment, the preparation of Si nanowires using electron beam lithography and reactive ion etching has been conducted. Hereby, two different processes have been investigated; one using a ZEP resist, a lift-off step and a Ni hard mask and another one using a hydrogen silsesquioxane resist which is used directly as a mask for etching. The HSQ-based process turned out to yield Si nanowires of better quality. Combining both, the masked implantation and the Si nanowire fabrication, it might be possible to integrate a single III-V nanocrystal into a Si nanowire to produce a III-V-in-Si-nanowire structure for electrical testing. / Der Fortschritt in der Leistungsfähigkeit der Bauelemente moderner Mikroelektroniktechnologie wird hauptsächlich durch das Skalieren vorangetrieben. In naher Zukunft wird dieser Weg wahrscheinlich einen Punkt erreichen, an dem physikalische Grenzen weiteres Herunterskalieren unmöglich machen. Der Austausch einzelner Teile auf Materialebene, wie Hoch-Epsilon-Dielektrika oder Metall-Gate-Elektroden, war während der letzten Jahrzehnte ein geeigneter Ansatz, um die Leistungsverbesserung voranzubringen. Nach diesem Schema ist die Integration von III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Mobilität ein vielversprechender Weg, dem man für die nächsten ein oder zwei Bauelementgenerationen folgen kann. Heutzutage erfolgt die III-V-Integration konventionell mit Verfahren wie der Molekularstrahlepitaxie oder dem Waferbonden, welche die Festphasenkristallisation nutzen, die aber aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen III-V-Verbindungen und Silizium an Verspannungen leiden. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz präsentiert, welcher die sequenzielle Ionenstrahlimplantation in Verbindung mit einer darauffolgenden Blitzlampentemperung ausnutzt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden Nanokristalle verschiedener III-V-Verbindungshalbleiter erfolgreich in Bulksilizium- und -germaniumsubstrate sowie in dünne Siliziumschichten integriert. Für die dünnen Schichten wurden hierbei entweder SOI-Substrate verwendet oder sie wurden mittels plasmagestützer chemischer Gasphasenabscheidung gewachsen. Die hergestellten III-V-Verbindungen umfassen GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb und InxGa1-xAs mit veränderbarer Zusammensetzung. Die strukturellen Eigenschaften dieser Nanokristalle wurden mit Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei der Transmissionelektronenmikroskopie wurden die Hellfeld-, Dunkelfeld-, hochauflösenden, “high-angle annular dark-field” und Rasteraufnahmemodi sowie die energiedispersive Röntgenspektroskopie und die energiegefilterte Elementabbildung eingesetzt. Darüber hinaus wurden Ramanspektroskopie- und Röntgenbeugungsmessungen durchgeführt, um die Nanokristalle optisch zu charakterisieren. Mittels Ramanspektroskopie wurden die charakteristischen transversal- und longitudinal-optischen Phononenmoden der verschiedenen III-V-Verbindungen beobachtet. Diese Signale beweisen, dass sich unter Verwendung der Kombination von Ionenstrahlimplantation und Blitzlampentemperung Nanokristalle bilden. Weiterhin zeigt das Vorhandensein der typischen Phononenmoden der jeweiligen Substratmaterialien, dass die Substrate aufgrund der Blitzlampentemperung rekristallisiert sind, nachdem sie durch Ionenimplantation amorphisiert wurden. In den Bulksiliziumproben besitzen die Nanokristalle eine kreisförmige oder rechteckige Kontur und sind in zufälliger Anordnung an der Oberfläche verteilt. Ihr Querschnitt zeigt entweder eine Halbkugel- oder dreieckige Form. Im Bulkgermanium gibt es zwei Arten von Ausscheidungen: eine mit willkürlicher Form an der Oberfläche und eine andere, vergrabene mit sphärischer Form. Betrachtet man die Proben mit den dünnen Schichten, ist die laterale Form der Nanokristalle mehr oder weniger willkürlich und sie zeigen einen blockähnlichen Querschnitt, welcher in der Höhe durch die Siliziumschichtdicke begrenzt ist. Bezüglich der Kristallqualität sind die Nanokristalle in allen Proben mehrheitlich einkristallin und weisen nur eine geringe Anzahl an Stapelfehlern auf. Jedoch ist die Kristallqualität in den Bulkmaterialien ein wenig besser als in den dünnen Schichten. Die Röntgenbeugungsmessungen zeigen die (111), (220) und (311) Bragg-Reflexe des InAs und GaAs sowie des InxGa1-xAs, wobei sich hier die Signalpositionen mit steigendem Gehalt an Indium von GaAs zu InAs verschieben. Als zugrundeliegender Bildungsmechanismus wurde die Flüssigphasenepitaxie identifiziert. Hierbei führt die Ionenstrahlimplantation zu einer Amorphisierung des Substratmaterials, welches dann durch die anschließende Blitzlampentemperung aufgeschmolzen wird. Daraus resultiert eine homogene Verteilung der implantierten Elemente in der Schmelze, da diese eine stark erhöhte Diffusivität in der flüssigen Phase aufweisen. Danach beginnt zuerst das Substratmaterial zu rekristallisieren und es kommt aufgrund von Segregationseffekten zu einer Anreicherung der Schmelze mit den Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, beginnt auch der III-V-Verbindungshalbleiter zu kristallisieren, wobei er das rekristallisierte Substratmaterial als Grundlage für ein epitaktisches Wachstum nutzt. In der Absicht Kontrolle über die laterale Verteilung der Nanokristalle zu erhalten, wurde eine Implantationsmaske aus Aluminium beziehungsweise Nickel eingeführt. Durch die Benutzung einer solchen Maske wurden nur kleine Bereiche der Proben implantiert. Nach der Blitzlampentemperung werden nur in diesen kleinen Bereichen Nanokristalle gebildet, was eine genaue Positionierung dieser erlaubt. Es wurde eine optimale Implantationsfenstergröße mit einer Kantenlänge von ungefähr 300 nm ermittelt, damit sich nur ein Nanokristall pro implantierten Bereich bildet. Während eines zusätzlichen Experiments wurde die Präparation von Siliziumnanodrähten mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionenätzen durchgeführt. Hierbei wurden zwei verschiedene Prozesse getestet: einer, welcher einen ZEP-Lack, einen Lift-off-Schritt und eine Nickelhartmaske nutzt, und ein anderer, welcher einen HSQ-Lack verwendet, der wiederum direkt als Maske für die Ätzung dient. Es stellte sich heraus, dass der HSQ-basierte Prozess Siliziumnanodrähte von höherer Qualität liefert. Kombiniert man beides, die maskierte Implantation und die Siliziumnanodrahtherstellung, miteinander, sollte es möglich sein, einzelne III-V-Nanokristalle in einen Siliziumnanodraht zu integrieren, um eine III-V-in-Siliziumnanodrahtstruktur zu fertigen, welche für elektrische Messungen geeignet ist.

The aim of the current thesis was to investigate the preparation of MnSi film on Si substrates. The preparation process includes room temperature sputtering Mn films with different thicknesses and flash-lamp annealing with different energy density (annealing temperature). Systematic investigations on their structural, electrical, magnetic, and magneto-transport properties were performed. The key findings are summarized below: Thin films with the B20-MnSi phase on Si(100) substrates were fabricated for the first time. They exhibit magnetic skyrmion behaviour. In comparison with Si(111) substrates, Si(100) substrates are more preferred from the practical application point of view. The nucleation of B20-MnSi on Si(100) is believed to be triggered by the fast solid-state phase reaction between Mn and Si via ms-range flash-lamp annealing. Compared with the corresponding bulk material, our films show an increased Curie temperature of around 43 K. The magnetic and transport measurements reveal that skyrmions in B20-MnSi on Si(100) made by sub-seconds solid-state reaction are stable within much broader field and temperature windows than bulk MnSi. The parasitic MnSi1.7 phase can be further minimized or eliminated by optimizing the annealing conditions, the quality of the deposited Mn film, and its interface with the Si substrate. Our work demonstrates a promising route for the fabrication of B20-type transition metal silicides for integrated and/or hybrid spintronic applications on Si(100) wafers, which are more preferable for industry applications. The growth of MnSi films on Si(111) substrates has been widely realized by solid phase epitaxy or molecular beam epitaxy since the lattice mismatch and symmetry fit better. One problem is the parasitic MnSi1.7 phase. By controlling the reaction parameters using strongly non-equilibrium flash lamp annealing, we have achieved full control over the phase formation of Mn-silicides in thin films from single-phase B20-MnSi or MnSi1.7 to mixed phases. The obtained films are highly textured and reveal sharp interfaces to the Si substrate. The obtained B20-MnSi films exhibits a high Curie temperature of 41 K. The skyrmion phase can be stabilized over broad temperature and magnetic field ranges. We propose flash-lamp-annealing-induced transient reaction as a general approach for phase separation in transition-metal silicides and germanides and for growth of B20-type films with enhanced topological stability. By comparing the magnetic properties of MnSi films grown on both Si(111) and Si(100) substrates by ourselves and by others in literature, we found one common feature. It is the increased Curie temperature of around 41-43 K for all MnSi films. It is much higher than 29.5 K for bulk MnSi. We try to understand the puzzling Curie temperature widely reported in MnSi films. We have prepared MnSi films with a large variation regarding their thickness, crystallinity, strain and phase separation. Particularly, polycrystalline MnSi films on Si(100) and textured MnSi films on Si(111), both with different mixture ratio with MnSi1.7 have been grown and systematically characterized. Surprisingly, all obtained MnSi films exhibit a high Curie temperature at around 43 K. The skyrmion phase has also been detected in these films. However, we find no correlation between the increased Curie temperate and the film thickness, strain, lattice volume or the mixture with MnSi1.7. Our work has not provided a conclusive picture for this question, but is rather calling a revisit, especially to the effect by the interface, stoichiometry and point defects. Further studies are essential to understand the B20 transition-metal silicide/germanides films and therefore to utilize them for spintronic applications.:Contents Abstract iii Kurzfassung v 1. Introduction 1 1.1 B20 compounds and magnetic skyrmions 1 1.2 B20 MnSi with magnetic Skyrmions 8 1.2.1 Crystallization process 10 1.2.2 Phase diagram of Mn-Si binary compounds 13 1.2.3 Bulk B20-MnSi 14 1.2.4 B20-MnSi thin film 18 1.2.5 B20-MnSi nanowire 25 1.3 Fast annealing method 27 1.4 Objectives and the structure of the thesis 30 2. Experiment 32 2.1 Sample preparation 32 2.1.1 DC magnetron sputtering 32 2.1.2 Sub-second annealing 35 2.2 Structure characterization: X-ray diffraction 40 2.3 Property characterization 41 2.3.1 Magnetic properties 41 2.3.2 Magneto-transport properties 44 3. B20-MnSi films grown on Si(100) substrates with magnetic skyrmion signature 46 3.1 Introduction 46 3.2 Experiment 47 3.3 Results and Discussions 48 3.4 Conclusions 56 4. Phase selection in Mn-Si alloys by fast solid-state reaction with enhanced skyrmion stability 57 4.1 Introduction 57 4.2 Experiment 59 4.3 Results 61 4.3.1 MnSi and MnSi1.7 phase reaction 61 4.3.2 Magnetic Skyrmion 68 4.3.3 Discussion 76 4.4 Conclusion 78 5. On the Curie temperature of MnSi films 80 5.1 Introduction 80 5.2 Experiment 82 5.3 Results 83 5.4 Conclusion 89 6. Summary and outlook 90 6.1 Summary 90 6.2 Outlook 91 6.2.1 Film thickness effect on formation of (111)-textured B20-MnSi 91 6.2.2 MnSi1.7% influence on Skyrmion stability 96 6.2.3 Preparation of other transition-metal monosilicides and germanides 98 Acknowledgement 99 References 101 Publication list 117 Curriculum Vitae 119 Erklärung 120

Thermische Ausheilprozesse werden bei der Transistorformation im Wesentlichen eingesetzt, um die durch die Ionenimplantation entstandenen Kristallschäden auszuheilen und die eingebrachten Dotanden zu aktivieren. Besonders kritisch sind dabei die finalen Aktivierungsprozesse, bei denen die Source/Drain-Gebiete der Transistoren gebildet werden. Im Zuge der kontinuierlichen Skalierung der CMOSFET-Technologie ist es außerdem erforderlich, möglichst flache, abrupte Dotierungsprofile mit maximaler elektrischer Aktivierung zu erhalten, um die bei diesen Bauelementeabmessungen immer stärker auftretenden Kurzkanaleffekte zu unterdrücken und gleichzeitig eine höhere Leistungsfähigkeit der Transistoren zu gewährleisten. Zur maximalen Aktivierung bei minimaler Diffusion der eingebrachten Dotanden müssen dazu während der finalen Ausheilung extrem kurze Ausheilzeiten bei sehr hohen Temperaturen bewerkstelligt werden. Mit dem derzeitig angewandten Ausheilverfahren, der schnellen thermischen Ausheilung (RTA), bei der die minimale Ausheilzeit im Bereich von 1 s liegt, sind diese Vorgaben nicht mehr realisierbar. Nur durch den Einsatz von neuartigen thermischen Ausheilprozessen mit Ausheilzeiten im Millisekundenbereich können diese Forderungen erreicht werden. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die wissenschaftliche Untersuchung der neuartigen Ausheilprozesse und die experimentelle Realisierung von Integrationsmöglichkeiten in die planare Hochleistungs-SOI-CMOSFET-Technologie. Dazu wird zunächst die Notwendigkeit der Einführung der neuartigen Ausheilprozesse erläutert. Anschließend wird basierend auf experimentellen Untersuchungen der Einfluss der Kurzzeitausheilung auf die Diffusion und Aktivierung der Dotierstoffe für eine p- und n-Dotierung analysiert. Des Weiteren werden zwei unterschiedliche Technologien der Kurzzeitausheilung, die Blitzlampen- und Laser-Ausheilung, und deren Einfluss auf das Transistorverhalten sowohl auf Wafer- als auch auf Mikroprozessorebene untersucht. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der experimentellen Untersuchung zur Integration der Kurzzeitausheilung in den Herstellungsprozess von Hochleistungs-SOI-CMOSFETs. Zwei verschiedene Ansätze werden dabei näher betrachtet. Zum Einen wird der Einfluss der Kurzzeitausheilung als zusätzlicher Ausheilschritt im Anschluss an die herkömmliche RTA und zum Anderen als alleiniger Ausheilschritt ohne RTA untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente zeigen, dass durch die zusätzliche Kurzzeitausheilung nach Ansatz 1 ohne eine Veränderung des Herstellungsprozesses ein verbessertes Transistorverhalten erreicht werden kann. Demgegenüber ist die Integration der Kurzzeitausheilung nach Ansatz 2 nur durch eine Anpassung der Transistorarchitektur und eine Optimierung der Implantationsparameter für die Halo-, Source/Drain-Erweiterungs- und Source/Drain-Gebiete möglich. Ein Hauptaugenmerk bei der Herstellung diffusionsarmer p-MOSFETs nach Ansatz 2 liegt in der Implementierung von Si1-xGex-Source/Drain-Gebieten, um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch diese Verspannungsquelle auch bei diesen Transistortypen zu gewährleisten. Die dazu durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen, dass bei diffusionsarmen p-MOSFETs mit Si1-xGex in den Source/Drain-Gebieten des Transistors, die Wahl der richtigen Implantationsspezies von entscheidender Bedeutung ist. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Ergebnisse von optimierten, diffusionsarmen n- und p-MOSFETs mit Transistoren der 45 nm-Technologie. Letztere basieren auf einem Prozess mit einer kombinierten Ausheilung von RTA und Kurzzeitausheilung. Dabei wird gezeigt, dass im Gegensatz zur herkömmlichen RTA-Ausheilung eine weitere Miniaturisierung der planaren Transistorstruktur mit Hilfe der Kurzzeitausheilung möglich ist.

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von Substraten mit Hilfe einer Ultraschallsprühanlage beschrieben. Es wurden Dispersionen aus Siliziumnanopartikeln und Organosiliziumpräkursoren genutzt, um Beschichtungen mit verschiedenen Dicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf verschiedenen metallischen Substraten zu erzeugen. Anschließend wurden diese der Blitzlampentemperung (FLA) unterzogen. Bei dünnen Beschichtungen mit Dicken von ca. 19 µm wurden nach der Blitzlampentemperung Filme auf dem Substrat erzeugt. Es wurden unterschiedliche Objektgrößen nach der Blitzlampentemperung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Pulslänge beobachtet. Bei dickeren Beschichtungen mit Dicken von ca. 38 µm bzw. 57 µm wurden selbstablösende Folien aus Silizium bei moderaten Pulsenergien von 4 J/cm² und durch das Anlegen von 5∙10-3 mbar Unterdruck während der Blitzlampentemperung hergestellt. Durch die Verwendung von Pulslängen mit 17,5 ms und Energien von bis zu 60 J/cm² wurden aus den ca. 38 µm dicken Beschichtungen nach der Blitzlampentemperung durch Übertragung auf ein Molybdänsubstrat ultradünne Siliziumschichten mit 280 nm Schichtdicke erzeugt. Mit Hilfe von Siliziumpresslingen wurde die maximale Eindringtiefe der Energie bei der Blitzlampentemperung ermittelt. Diese wurden bei verschiedenen Pulslängen und Energien mit der Blitzlampe getempert. Durch das Brechungsvermögen der Presslinge wurde an diesen sowohl die Oberfläche als auch durch Querschnittsaufnahmen die Sinterung bzw. das Schmelzen in der Tiefe nach der Blitzlampentemperung untersucht. Der Einfluss der Blitzlampentemperung auf die Polymorphie und die Kristallinität von Bis-mut(III)oxiden wurde untersucht. Die Charakterisierung der Siliziumfolien, Siliziumschichten und Siliziumpresslinge als auch der Bismut(III)oxide erfolgte unter anderem mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.

Doping allows us to modify semiconductor materials for desired properties such as conductivity, bandgap, and / or lattice parameter. A small portion replacement of the highly mismatched isoelectronic dopants with the host atoms of a semiconductor can result in drastic variation of its structural, optical, and / or electronic properties. Here, the term "mismatch" describes the properties of atom size, ionicity, and / or electronegativity. This thesis presents the fabrication of two kinds of highly mismatched semiconductor alloys, i.e., Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x). The structural and optical properties of the prepared Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) have been investigated. The results suggest an efficient above-solubility doping induced by non-equilibrium methods of ion implantation and ultrashort annealing. Pulsed laser melting promotes the regrowth of monocrystalline Ge(1-x)Sn(x), whereas flash lamp annealing brings about the formation of high quality GaAs(1-x)N(x) with room temperature photoluminescence. The bandgap modification of Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) has been verified by optical measurements of spectroscopic ellipsometry and photoluminescence, respectively. In addition, effective defect engineering in GaAs has been achieved by flash lamp annealing, by which a quasi-temperature-stable photoluminescence at 1.3 µm has been obtained. / Dotierung ermöglicht es, die Eigenschaften von Halbleitermaterialien, wie Leitfähigkeit, aber auch Bandabstand und / oder Gitterkonstanten gezielt zu verändern. Wenn ein Halbleiter mit einer kleinen Menge unterschiedliche Fremdatome dotiert wird, kann dies in einer drastischen Modifikation der strukturellen, optischen und / oder elektronischen Eigenschaften resultieren. Der Begriff "unterschiedlich" bedeutet hier die Eigenschaften von Atomgröße, Ioniztät und / oder Elektronegativität. Diese Doktorarbeit beschreibt die Herstellung von zwei Arten von stark fehlangepassten Halbleiterlegierungen: Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x). Die strukturellen und optischen Eigenschaften von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurden untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine effiziente Dotierung oberhalb der Löslichkeit, induziert durch die Nicht-Gleichgewichtsverfahren Ionenimplantation und Ultrakurzzeit-Ausheilung. Gepulstes Laserschmelzen ermöglicht das Nachwachsen von monokristallinem Ge(1-x)Sn(x), während die Blitzlampenausheilung in der Bildung von GaAs(1-x)N(x) hoher Qualität mit Photolumineszenz bei Raumtemperatur resultiert. Die Änderung der Bandlücke von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurde durch die optischen Methoden der spektroskopischen Ellipsometrie und Photolumineszenz verifiziert. Darüber hinaus konnte in ausgeheiltem GaAs eine quasi-temperaturstabile Photolumineszenz bei 1,3 µm beobachtet werden.

The progress in device performance of modern microelectronic technology is mainly driven by down-scaling. In the near future, this road will probably reach a point where physical limits make even more down-scaling impossible. The substitution of single components materialwise over the last decades, like high-k dielectrics or metal gates, has been a suitable approach to foster performance improvements. In this scheme, the integration of high-mobility III-V compound semiconductors as channel materials into Si technology is a promising route to follow for the next one or two device generations. III-V integration, today, is conventionally performed by using techniques like molecular beam epitaxy or wafer bonding which utilize solid phase crystallization but suffer to strain due to the lattice mismatch between III-V compounds and Si. An alternative approach using sequential ion beam implantation in combination with a subsequent flash lamp annealing is presented in this work. Using this technique, nanocrystals from various III-V compounds have been successfully integrated into bulk Si and Ge as well as into thin Si layers which used either SOI substrates or were grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition. The III-V compounds which have been fabricated are GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, GaSb and InxGa1-xAs with variable composition. The structural properties of these nanocrystals have been investigated by Rutherford backscattering, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, including bright-field, dark-field, high-resolution, high-angle annular dark-field and scanning mode imaging, electron-dispersive x-ray spectroscopy and energy-filtered element mapping. Furthermore, Raman spectroscopy and X-ray diffraction have been performed to characterise the nanocrystals optically. In Raman spectroscopy, the characteristic transversal and longitudinal optical phonon modes of the different III-V compounds have been observed. These signals proof that the nanocrystals have formed by the combination of ion implantation and flash lamp annealing. Additionally, the appearance of the typical phonon modes of the respective substrate materials verifies recrystallization of the substrate by the flash lamp after amorphisation during implantation. In the bulk Si samples, the nanocrystals have a circular or rectangular lateral shape and they are randomly distributed at the surface. Their cross-section has either a hemispherical or triangular shape. In bulk Ge, there are two types of precipitates: one at the surface with arbitrary shape and another one buried with circular shape. For the thin film samples, the lateral shape of the nanocrystals is more or less arbitrary and they feature a block-like cross-section which is limited in height by the Si layer thickness. Regarding crystalline quality, the nanocrystals in all samples are mainly single-crystalline with only a few number of stacking faults. However, the crystalline quality in the bulk samples is slightly better than in the thin films. The X-ray diffraction measurements display the (111), (220) and (311) Bragg peaks for InAs and GaAs as well as for the InxGa1-xAs where the peaks shift with increasing In content from GaAs towards InAs. The underlying formation mechanism is identified as liquid phase epitaxy. Hereby, the ion implantation leads to an amorphisation of the substrate material which is then molten by the subsequent flash lamp annealing. This yields a homogeneous distribution of the implanted elements within the melt due to their strongly increased diffusivity in the liquid phase. Afterwards, the substrate material starts to recrystallize at first and an enrichment of the melt with group-III and group-V elements takes place due to segregation. When the temperature is low enough, the III-V compound semiconductor starts to crystallize using the recrystallized substrate material as a template for epitaxial growth. In order to gain control over the lateral nanocrystal distribution, an implantation mask of either aluminium or nickel is introduced. Using this mask, only small areas of the samples are implanted. After flash lamp treatment, nanocrystals form only in these small areas, which allows precise positioning of them. An optimal implantation window size with an edge length of around 300nm has been determined to obtain one nanocrystal per implanted area. During an additional experiment, the preparation of Si nanowires using electron beam lithography and reactive ion etching has been conducted. Hereby, two different processes have been investigated; one using a ZEP resist, a lift-off step and a Ni hard mask and another one using a hydrogen silsesquioxane resist which is used directly as a mask for etching. The HSQ-based process turned out to yield Si nanowires of better quality. Combining both, the masked implantation and the Si nanowire fabrication, it might be possible to integrate a single III-V nanocrystal into a Si nanowire to produce a III-V-in-Si-nanowire structure for electrical testing. / Der Fortschritt in der Leistungsfähigkeit der Bauelemente moderner Mikroelektroniktechnologie wird hauptsächlich durch das Skalieren vorangetrieben. In naher Zukunft wird dieser Weg wahrscheinlich einen Punkt erreichen, an dem physikalische Grenzen weiteres Herunterskalieren unmöglich machen. Der Austausch einzelner Teile auf Materialebene, wie Hoch-Epsilon-Dielektrika oder Metall-Gate-Elektroden, war während der letzten Jahrzehnte ein geeigneter Ansatz, um die Leistungsverbesserung voranzubringen. Nach diesem Schema ist die Integration von III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Mobilität ein vielversprechender Weg, dem man für die nächsten ein oder zwei Bauelementgenerationen folgen kann. Heutzutage erfolgt die III-V-Integration konventionell mit Verfahren wie der Molekularstrahlepitaxie oder dem Waferbonden, welche die Festphasenkristallisation nutzen, die aber aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen III-V-Verbindungen und Silizium an Verspannungen leiden. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz präsentiert, welcher die sequenzielle Ionenstrahlimplantation in Verbindung mit einer darauffolgenden Blitzlampentemperung ausnutzt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden Nanokristalle verschiedener III-V-Verbindungshalbleiter erfolgreich in Bulksilizium- und -germaniumsubstrate sowie in dünne Siliziumschichten integriert. Für die dünnen Schichten wurden hierbei entweder SOI-Substrate verwendet oder sie wurden mittels plasmagestützer chemischer Gasphasenabscheidung gewachsen. Die hergestellten III-V-Verbindungen umfassen GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb und InxGa1-xAs mit veränderbarer Zusammensetzung. Die strukturellen Eigenschaften dieser Nanokristalle wurden mit Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei der Transmissionelektronenmikroskopie wurden die Hellfeld-, Dunkelfeld-, hochauflösenden, “high-angle annular dark-field” und Rasteraufnahmemodi sowie die energiedispersive Röntgenspektroskopie und die energiegefilterte Elementabbildung eingesetzt. Darüber hinaus wurden Ramanspektroskopie- und Röntgenbeugungsmessungen durchgeführt, um die Nanokristalle optisch zu charakterisieren. Mittels Ramanspektroskopie wurden die charakteristischen transversal- und longitudinal-optischen Phononenmoden der verschiedenen III-V-Verbindungen beobachtet. Diese Signale beweisen, dass sich unter Verwendung der Kombination von Ionenstrahlimplantation und Blitzlampentemperung Nanokristalle bilden. Weiterhin zeigt das Vorhandensein der typischen Phononenmoden der jeweiligen Substratmaterialien, dass die Substrate aufgrund der Blitzlampentemperung rekristallisiert sind, nachdem sie durch Ionenimplantation amorphisiert wurden. In den Bulksiliziumproben besitzen die Nanokristalle eine kreisförmige oder rechteckige Kontur und sind in zufälliger Anordnung an der Oberfläche verteilt. Ihr Querschnitt zeigt entweder eine Halbkugel- oder dreieckige Form. Im Bulkgermanium gibt es zwei Arten von Ausscheidungen: eine mit willkürlicher Form an der Oberfläche und eine andere, vergrabene mit sphärischer Form. Betrachtet man die Proben mit den dünnen Schichten, ist die laterale Form der Nanokristalle mehr oder weniger willkürlich und sie zeigen einen blockähnlichen Querschnitt, welcher in der Höhe durch die Siliziumschichtdicke begrenzt ist. Bezüglich der Kristallqualität sind die Nanokristalle in allen Proben mehrheitlich einkristallin und weisen nur eine geringe Anzahl an Stapelfehlern auf. Jedoch ist die Kristallqualität in den Bulkmaterialien ein wenig besser als in den dünnen Schichten. Die Röntgenbeugungsmessungen zeigen die (111), (220) und (311) Bragg-Reflexe des InAs und GaAs sowie des InxGa1-xAs, wobei sich hier die Signalpositionen mit steigendem Gehalt an Indium von GaAs zu InAs verschieben. Als zugrundeliegender Bildungsmechanismus wurde die Flüssigphasenepitaxie identifiziert. Hierbei führt die Ionenstrahlimplantation zu einer Amorphisierung des Substratmaterials, welches dann durch die anschließende Blitzlampentemperung aufgeschmolzen wird. Daraus resultiert eine homogene Verteilung der implantierten Elemente in der Schmelze, da diese eine stark erhöhte Diffusivität in der flüssigen Phase aufweisen. Danach beginnt zuerst das Substratmaterial zu rekristallisieren und es kommt aufgrund von Segregationseffekten zu einer Anreicherung der Schmelze mit den Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, beginnt auch der III-V-Verbindungshalbleiter zu kristallisieren, wobei er das rekristallisierte Substratmaterial als Grundlage für ein epitaktisches Wachstum nutzt. In der Absicht Kontrolle über die laterale Verteilung der Nanokristalle zu erhalten, wurde eine Implantationsmaske aus Aluminium beziehungsweise Nickel eingeführt. Durch die Benutzung einer solchen Maske wurden nur kleine Bereiche der Proben implantiert. Nach der Blitzlampentemperung werden nur in diesen kleinen Bereichen Nanokristalle gebildet, was eine genaue Positionierung dieser erlaubt. Es wurde eine optimale Implantationsfenstergröße mit einer Kantenlänge von ungefähr 300 nm ermittelt, damit sich nur ein Nanokristall pro implantierten Bereich bildet. Während eines zusätzlichen Experiments wurde die Präparation von Siliziumnanodrähten mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionenätzen durchgeführt. Hierbei wurden zwei verschiedene Prozesse getestet: einer, welcher einen ZEP-Lack, einen Lift-off-Schritt und eine Nickelhartmaske nutzt, und ein anderer, welcher einen HSQ-Lack verwendet, der wiederum direkt als Maske für die Ätzung dient. Es stellte sich heraus, dass der HSQ-basierte Prozess Siliziumnanodrähte von höherer Qualität liefert. Kombiniert man beides, die maskierte Implantation und die Siliziumnanodrahtherstellung, miteinander, sollte es möglich sein, einzelne III-V-Nanokristalle in einen Siliziumnanodraht zu integrieren, um eine III-V-in-Siliziumnanodrahtstruktur zu fertigen, welche für elektrische Messungen geeignet ist.

Higher conversion efficiencies while reducing costs at the same time is the ultimate goal driving the development of solar cells. Multi-crystalline silicon has attracted considerable attention because of its high stability against light soaking. In case of solar grade multi-crystalline silicon the rigorous control of metal impurities is desirable for solar cell fabrication. It is the aim of this thesis to develop a new manufacturing process optimized for solar-grade multi-crystalline silicon solar cells. In this work the goal is to form solar cell emitters in silicon substrates by plasma immersion ion implantation of phosphine and posterior millisecond-range flash lamp annealing. These techniques were chosen as a new approach in order to decrease the production cost by reducing the amount of energy needed during fabrication. Therefore, this approach is called “Low Thermal Budget” process. After ion implantation the silicon surface is strongly disordered or amorphous up to the depth of the projected ion range. Therefore, subsequent annealing is required to remove the implantation damage and activate the doping element. Flash lamp annealing in the millisecond-range is demonstrated here as a very promising technique for the emitter formation at an overall low thermal budget. During flash lamp annealing, only the wafer surface is heated homogeneously to high temperatures at a time scales of ms. Thereby, implantation damages are annealed and phosphorous is electrically activated. The variation of pulse time allows to modify the degree of annealing of the bulk region to some extent as well. This can have an influence on the gettering behavior of metallic impurities. Ion implantation doping got in distinct consideration for doping of single-crystalline solar cells very recently. The efficient doping of multi-crystalline silicon remains the main challenge to reduce costs. The influence of different annealing techniques on the optical and electrical properties of multi-crystalline silicon solar cells was investigated. The Raman spectroscopy showed that the silicon surface is amorphous after ion implantation. It could be demonstrated that flash lamp annealing at 1000 °C for 3 ms even without preheating is sufficient to recrystallize implanted silicon. The sheet resistance of flash lamp annealed samples is in the range of about 60 Ω/□. Without surface passivation the minority carrier diffusion length in the flash lamp annealed samples is in the range of 85 µm. This is up to one order of magnitude higher than that observed for rapid thermal or furnace annealed samples. The highest carrier concentration and efficiency as well as the lowest resistivity were obtained after annealing at 1200 °C for 20 ms for both, single- and multi-crystalline silicon wafers. Photoluminescence results point towards phosphorous cluster formation at high annealing temperatures which affects metal impurity gettering within the emitter. Additionally, in silicon based solar cells, hydrogen plays a fundamental role due to its excellent passivation properties. The optical and electrical properties of the fabricated emitters were studied with particular interest in their dependence on the hydrogen content present in the samples. The influence of different flash lamp annealing parameters and a comparison with traditional thermal treatments such as rapid thermal and furnace annealing are presented. The samples treated by flash lamp annealing at 1200 °C for 20 ms in forming gas show sheet resistance values in the order of 60 Ω/□, and minority carrier diffusion lengths in the range of ~200 µm without the use of a capping layer for surface passivation. These results are significantly better than those obtained from rapid thermal or furnace annealed samples. The simultaneous implantation of hydrogen during the doping process, combined with optimal flash lamp annealing parameters, gave promising results for the application of this technology in replacing the conventional phosphoroxychlorid deposition and diffusion.:1 Motivation and objectives 1 2 Progress and prospects of silicon solar cells 5 3 Basics of a silicon solar cell 8 3.1 Specific characteristic of a standard silicon solar cell 12 3.2 Fundamental efficiency limits of standard silicon solar cells 14 4 Industrial process featuring low thermal budget process 17 4.1 Cleaning and etching steps 19 4.2 Emitter formation in p-type silicon 20 4.2.1 Thermal diffusion of phosphorous (industrial) 22 4.2.2 Ion beam implantation 24 4.2.3 Plasma immersion ion implantation as potential tool for the LTB process 26 4.2.4 Thermal processing of ion implanted solar cells - FLA as a novel method 28 4.3 Contact formation 30 4.3.1 Screen printing and sintering (industrial) 30 4.3.2 Gettering and BSF formation by aluminum diffusion (industrial) 32 4.3.3 Sputtering (LTB) 33 4.4 Surface passivation 33 5 Fabrication and characterization 35 5.1 Fabrication 35 5.2 Characterization of the p-n junction by ion implantation and FLA 39 5.2.1 Four-Point-Probe measurement (4-PPM) 39 5.2.2 Raman Spectroscopy (RS) 40 5.2.3 Photoluminescence Spectroscopy (PL) 41 5.2.4 Surface Photo-Voltage (SPV) 41 5.3 Analysis of hydrogen and metal impurities 46 5.3.1 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) 46 5.3.2 Elastic Recoil Detection Analyses (ERDA) and 47 Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) 47 5.4 Solar cell characterization 49 5.4.1 Transmission Electron Microscopy (TEM) 49 5.4.2 Auger Electron Spectroscopy (AES) 50 5.4.3 Light Beam Induced Current (LBIC) 51 5.4.4 Sun Simulator 52 6 Solar cell performance 53 6.1 Processing of the p-n junction by IBI and FLA 54 6.1.1 Variation FLA parameters 54 6.1.2 Influence of the grain size on the LD 71 6.2 Influence of the hydrogen introduced by PIII 76 6.2.1 Hydrogen profile by SIMS 76 6.2.2 H content as function of the thermal treatments 78 6.2.3 Optical properties of the silicon substrate 80 6.3 Influence of PIII and FLA on implanted iron 82 6.4 Contact formation 88 6.4.1 Antireflection layer 89 6.4.2 Back surface formation 90 6.4.3 Electrical and optical characterization 93 7 Overview of the achieved results 98 I References VIII II Publications XVII III Symbols index XVIII IV Acronyms XXI

Intermediate band (IB) materials have attracted considerable research interest since they can dramatically enhance the near infrared light absorption and lead to applications in the fields of so-called intermediate band solar cells or infrared photodetectors. Hyperdoping Si with deep level impurities is one of the most effective approaches to form an IB inside Si. In this thesis, titanium (Ti) or chalcogen doped Si with concentrations far exceeding the Mott transition limits (~ 5×10^19 cm-3 for Ti) are fabricated by ion implantation followed by pulsed laser annealing (PLA) or flash lamp annealing (FLA). The structural and electrical properties of the implanted layer are investigated by channeling Rutherford backscattering spectrometry (cRBS) and Hall measurements. For Si supersaturated with Ti, it is shown that Ti-implanted Si after liquid phase epitaxy shows cellular breakdown at high doping concentrations during the rapid solidification, preventing Ti incorporation into Si matrix. However, the out-diffusion and the cellular breakdown can be effectively suppressed by solid phase epitaxy during FLA, leading to a much higher Ti incorporation. In addition, the formed microstructure of cellular breakdown also complicates the interpretation of the electrical properties. After FLA, the samples remain insulating even with the highest Ti implantation fluence, whereas the sheet resistance decreases with increasing Ti concentration after PLA. According to the results from conductive atomic force microscopy (C-AFM), the decrease of the sheet resistance after PLA is attributed to the percolation of Ti-rich cellular walls, but not to the insulator-to-metal transition due to Ti-doping. Se-hyperdoped Si samples with different Se concentrations are fabricated by ion implantation followed by FLA. The study of the structural properties of the implanted layer reveals that most Se atoms are located at substitutional lattice sites. Temperature-dependent sheet resistance shows that the insulator-to-metal transition occurs at a Se peak concentration of around 6.3 × 10^20 cm-3, proving the formation of an IB in host semiconductors. The correlation between the structural and electrical properties under different annealing processes is also investigated. The results indicate that the degrees of crystalline lattice recovery of the implanted layers and the Se substitutional fraction depend on pulse duration and energy density of the flash. The sample annealed at short pulse durations (1.3 ms) shows better conductivity than long pulse durations (20 ms). The electrical properties of the hyperdoped layers can be well-correlated to the structural properties resulting from different annealing processes.:Chapter 1 Introduction 1 1.1 Shallow and Deep level impurities in semiconductors 1 1.2 Challenges for hyperdoping semiconductors with deep level Impurities 2 1.3 Solid vs. liquid phase epitaxy 5 1.4 Previous work 7 1.4.1 Transition metal in Si 7 1.4.2 Chalcogens in Si 10 1.5 The organization of this thesis 15 Chapter 2 Experimental methods 18 2.1 Ion implantation 18 2.1.1 Basic principle of ion implantation 18 2.1.2 Ion implantation equipment 19 2.1.3 Energy loss 20 2.2 Pulsed laser annealing (PLA) 23 2.3 Flash lamp annealing (FLA) 24 2.4 Rutherford backscattering and channeling spectrometry (RBS/C) 27 2.4.1 Basic principles 27 2.4.2 Analysis of the elements in the target 28 2.4.3 Channeling and RBS/C 29 2.4.4 Analysis of the impurity lattice location 31 2.5 Hall measurements 31 2.5.1 Sample preparation 32 2.5.2 Resistivity 32 2.5.3 Hall measurements 33 Chapter 3 Suppressing the cellular breakdown in silicon supersaturated with titanium 34 3.1 Introduction 34 3.2 Experimental 35 3.3 Results 36 3.4 Conclusions 42 Chapter 4 Titanium-implanted silicon: does the insulator-to-metal transition really happen? 44 4.1 Introduction 44 4.2 Experimental section 45 4.3 Results 47 4.3.1 Recrystallization of Ti-implanted Si 47 4.3.2 Lattice location of Ti impurities 48 4.3.3 Electrical conduction 50 4.3.4 Surface morphology 52 4.3.5 Spatially resolved conduction 53 4.4 Discussion 55 4.5 Conclusion 56 Chapter 5 Realizing the insulator-to-metal transition in Se hyperdoped Si via non-equilibrium material processing 57 5.1 Introduction 57 5.2 Experimental 59 5.3 Results 60 5.4 Conclusions 65 Chapter 6 Structural and electrical properties of Se-hyperdoped Si via ion implantation and flash lamp annealing 67 6.1 Introduction 67 6.2 Experimental 68 6.3 Results 69 6.4 Conclusions 76 Chapter 7 Summary and outlook 78 7.1 Summary 78 7.2 Outlook 81 References 83 Publications 89