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Thin-film silicon tandem solar cells based on a hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) top-cell and a hydrogenated microcrystalline silicon (μc-Si:H) bottom-cell are a promising photovoltaic technology as they use a combination of absorber materials that is ideally suited for the solar spectrum. Additionally, the involved materials are abundant and non-toxic which is important for the manufacturing and application on a large scale. One of the most important factors for the application of photovoltaic technologies is the cost per watt. There are several ways to reduce this figure: increasing the efficiency of the solar cells, reducing the material consumption and increasing the throughput of the manufacturing equipment. The use of very-high frequencies has been proven to be beneficial for the material quality at high deposition rates thus enabling a high throughput and high solar cell efficiencies. In the present work a scalable very-high frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition (VHF-PECVD) technique for state-of-the-art solar cells is developed. Linear plasma sources are applied which facilitate the use of very-high frequencies on large areas without compromising on the homogeneity of the deposition process. The linear plasma sources require a dynamic deposition process with the substrate passing by the electrodes in order to achieve a homogeneous deposition on large areas. State-of-the-art static radio-frequency (RF) PECVD processes are used as a reference in order to assess the potential of a dynamic VHF-PECVD technique for the growth of high-quality a-Si:H and μc-Si:H absorber layers at high rates. In chapter 4 the influence of the deposition process of the μc-Si:H i-layer on the solar cell performance is studied for static deposition processes. It is shown that the correlation between the i-layer growth rate, its crystallinity and the solar cell performance is similar for VHF- and RF-PECVD processes despite the different electrode configurations, excitation frequencies and process regimes. It is found that solar cells incorporating i-layers grown statically using VHF-PECVD processes obtain a state-of-the-art efficiency close to 8 % for growth rates up to 1.4 nm/s compared to 0.53 nm/s for RF-PECVD processes. The influence of dynamic deposition processes on the performance of μc-Si:H solar cells is studied. It is found that μc-Si:H solar cells incorporating dynamically grown i-layers obtain an efficiency of 7.3 % at a deposition rate of 0.95 nm/s. There is a small negative influence of the dynamic deposition process on the solar cell efficiency compared to static deposition processes which is related to the changing growth conditions the substrate encounters during a dynamic i-layer deposition process. The changes in gas composition during a dynamic i-layer deposition process using the linear plasma sources are studied systematically using a static RF-PECVD regime and applying a time-dependent gas composition. The results show that the changes in the gas composition affect the solar cell performance if they exceed a critical level. In chapter 5 dynamic VHF-PECVD processes for a-Si:H are developed in order to investigate the influence of the i-layer growth rate, process parameters and deposition technique on the solar performance and light-induced degradation. The results in this work indicate that a-Si:H solar cells incorporating i-layers grown dynamically by VHF-PECVD using linear plasma sources perform as good and better as solar cells with i-layers grown statically by RF-PECVD at the same deposition rate. State-of-the-art stabilized a-Si:H solar cell efficiencies of 7.6 % are obtained at a growth rate of 0.35 nm/s using dynamic VHF-PECVD processes. It is found that the stabilized efficiency of the a-Si:H solar cells strongly decreases with the i-layer deposition rate. A simplified model is presented that is used to obtain an estimate for the deposition rate dependent efficiency of an a-Si:H/μc-Si:H tandem solar cell based on the photovoltaic parameters of the single-junction solar cells. The aim is to investigate the individual influences of the a-Si:H and μc-Si:H absorber layer deposition rates on the performance of the tandem solar cell. The results show that a high deposition rate of the μc-Si:H absorber layer has a much higher potential for reducing the total deposition time of the absorber layers compared to high deposition rates for the a-Si:H absorber layer. Additionally, it is found that high deposition rates for a-Si:H have a strong negative impact on the tandem solar cell performance while the tandem solar cell efficiency remains almost constant for higher μc-Si:H deposition rates. It is concluded that the deposition rate of the μc-Si:H absorber layer is key to reduce the total deposition time without compromising on the tandem solar cell performance. The developed VHF-PECVD technique using linear plasma sources is capable of meeting this criterion while promoting a path to scale the processes to large substrate areas.

Innerhalb dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen von interstitiellem Eisen mit Defekten, wie Versetzungen und Ausscheidungen, untersucht. Dazu wurde zunächst das Löslichkeitsverhalten von Eisen im p-dotierten mc-Silizium im Temperaturbereich von 550°C bis 800°C gemessen. An Versetzungsstrukturen konnte in einigen Bereichen eine deutlich erhöhte Konzentration an gelöstem Eisen im as cut Zustand und nach dem Tempern der Probe festgestellt werden. Diese wurde mit der Struktur der Versetzungsanordnung erklärt. An vorhandenen Ausscheidungen im Silizium konnte eine Abnahme der gelösten Eisenkonzentration beobachtet werden. Die Dichte und Morphologie der Ausscheidungen haben dabei einen großen Einfluss. Der Eintrag des Eisens in das Silizium aus Tiegeln mit unterschiedlicher Reinheit während der Kristallisation wurde untersucht. Dabei zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Tiegelreinheit auf die Konzentration am Rand des Blockes, jedoch nur einen geringen Einfluss auf die Eisenkonzentration im Blockinneren.

In this thesis, a comprehensive study of the electrical properties of carbon-hydrogen (CH) complexes in silicon (Si) and silicon-germanium (SiGe) alloys is presented. These complexes form by the reaction of residual carbon impurities with hydrogen that is introduced either by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma. The complexes were detected and characterized by the deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy (MCTS) technique. With this approach, properties like the activation enthalpy for carrier emission, the capture cross section, the charge state, and the thermal stability of the complexes were determined. The composition of the complexes was derived from the analysis of their depth profiles in samples with different impurity concentrations. Using these methods, eight carbon-hydrogen related defect levels (E42, E65, E75, E90, E90', E262, H50, H180) and one hydrogen related level (E150) were detected in Si, SiGe alloys and Ge. Hydrogen plasma treatment at temperatures around 373 K introduces four dominant traps in Si at about Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180), and Ev+0.08 eV (H50). E42 and E262 are shown to be two charge states of the same defect. The characteristic field dependence of their emission rate links E42 with the double acceptor level and E262 with the single acceptor level of a CH complex. By comparison of their properties with calculations they are assigned to the anti-bonding configuration of the CH complex (CH_1AB). H180 was previously suggested to be the donor state of the CH_1AB configuration. This hypothesis could not be confirmed. Instead, it is shown that H180 exhibits a barrier for hole capture of about 53 meV, which hinders the reliable determination of its charge state from the field dependence of the emission rate. However, its activation enthalpy is in reasonable agreement with the predicted level position of the acceptor state of the CH_T configuration of CH, where H sits on the tetrahedral interstitial (T) position next to carbon. Therefore, H180 is tentatively assigned to CH_T. H50 is reported for the first time and it appears with concentrations close to the detection limit of the DLTS technique (~1E11 cm^-3). This complicates the determination of its charge state. Nevertheless, theory predicts the acceptor level of the CH_2AB configuration at about Ev+0.07 eV, which is remarkably close to the experimental value of H50. Therefore, H50 is tentatively assigned to the acceptor level of CH_2AB. In contrast, hydrogenation of silicon by wet chemical etching introduces three dominant levels at Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75), and Ec-0.16 eV (E90). Previously, E90 was contradictorily assigned by different authors to the donor and to the acceptor state of the bond-centered configuration of the CH complex (CH_1BC). In this work, this contradiction is resolved. It is shown that two different defect levels (E90 and E90') appear in the DLTS spectra at about 90 K in samples with a low oxygen concentration (< 1E17 cm^-3). The acceptor state of the CH_1BC configuration (E90) can be observed directly after hydrogenation by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma treatment at temperatures below 373 K. In contrast, the donor state of a CH_n complex (E90', Ec-0.14 eV), that involves more than one hydrogen atom, is formed by a reverse bias annealing of samples with a net donor concentration of Nd > 1E15 cm^-3. By comparison with theory it is concluded that n > 2. In samples with a high oxygen concentration (> 1E17 cm^-3) E65 and E75 are dominant. Both levels belong to the CH_1BC configuration disturbed by a nearby oxygen atom. The appearance of two levels is the result of two inequivalent positions of the oxygen atom in respect to the CH bond. E42, E90, E262, and H180 are also investigated in diluted SiGe alloys to analyze the influence of alloying on their electrical properties. The presence of Ge atoms in the closest environment of the defects leads to the appearance of additional defect levels close to those observed in pure Si. The relative concentration of these additional defects is in agreement with models of the proposed defect structure of E42, E90, E262, and H180. An increase of the Ge content in SiGe alloys leads to a shift of the defect levels in the band gap of SiGe. An extrapolation of this shift predicts the appearance of E90 and E262 also in pure Ge. A hydrogen related level E150 (Ec-0.31 eV) is indeed observed in hydrogenated n-type Ge. Its concentration is significantly higher after hydrogen plasma treatment than after wet chemical etching. It is shown that E150 contains a single hydrogen atom and involves an unknown impurity, most likely carbon, oxygen, or silicon. E150 represents a reasonable candidate for a CH complex in Ge. / In dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen in Silizium (Si) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) studiert. Diese Komplexe bilden sich durch Reaktion von Kohlenstoff-Verunreinigungen mit Wasserstoff, welcher durch nasschemisches Ätzen oder eine Wasserstoffplasma-Behandlung eingebracht wird. Der Nachweis und die Charakterisierung der Defekte erfolgte mit den Methoden der Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS), Laplace DLTS und der Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS). Damit wurden Eigenschaften wie die Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, die Einfangquerschnitte, der Ladungszustand und die thermische Stabilität der Komplexe bestimmt. Die Zusammensetzung der Komplexe wurde durch eine Analyse der Tiefenprofile ermittelt, welche in Proben mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen gemessen wurden. Mit diesen Methoden wurde acht Kohlenstoff-Wasserstoff-korrelierte Defektniveaus (E42, E65, E75, E90', E90, E262, H50, H180) in Si und SiGe und ein Wasserstoff-korreliertes Niveau in Ge nachgewiesen. Eine Wasserstoffplasma-Behandlung bei Temperaturen um 373 K erzeugt vier dominante Defektniveaus in Si bei Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180) und Ev+0.08 eV. Es wird gezeigt, dass E42 und E262 zwei Ladungszustände desselben Defektes sind. Die charakteristische Feldabhängigkeit der Emissionsrate zeigt, dass E42 der Doppel-Akzeptor- und E262 der Einfach-Akzeptor-Zustand eines CH-Komplexes ist. Durch Vergleich der beobachteten Eigenschaften mit theoretischen Berechnungen werden beide Niveaus der antibindenden Konfiguration des CH-Komplexes (CH_1AB) zugeordnet. Das Niveau H180 wurde in der Literatur bisher mit dem Donator-Zustand der CH_1AB-Konfiguration in Verbindung gebracht. Diese Hypothese konnte nicht bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass H180 eine Barriere für den Löchereinfang von etwa 53 meV besitzt, was die Bestimmung des Ladungszustandes aus der Feldabhängigkeit der Emissionsrate erschwert. Die Aktivierungsenergie von H180 stimmt jedoch befriedigend mit der berechneten Aktivierungsenergie des Akzeptorzustandes der CH_T-Konfiguration überein, bei der H auf der T-Zwischengitterposition sitzt. Daher wird H180 vorläufig dem CH_T-Komplex zugeordnet. Das Niveau H50, welches zum ersten Mal hier beschrieben wird, wird nur mit sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen. Dies erschwert die Bestimmung des Ladungszustandes. Die Aktivierungsenergie von H50 stimmt jedoch auffallend gut mit dem von der Theorie vorhergesagten Akzeptorniveau von CH_2AB (Ev+0.07 eV) überein. Daher wird H50 vorrübergehend CH_2AB zugeordnet. Das Einbringen von Wasserstoff in Silizium durch nasschemisches Ätzen führt zu drei dominanten Defektniveaus bei Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75) und Ec-0.16 eV (E90). E90 wurde bisher widersprüchlich von verschiedenen Autoren dem Donatorzustand und dem Akzeptorzustand der bindungszentrierten Konfiguration (CH_1BC) des CH-Komplexes zugeordnet. Dieser Widerspruch konnte aufgelöst werden. Es wird gezeigt, dass in Silizium mit niedrigem Sauerstoffanteil (< 1E17 cm^-3) zwei verschiedene Defektniveaus (E90 und E90') bei etwa 90 K in den DLTS-Spektren erscheinen, welche nur mit der Laplace DLTS-Technik aufgelöst werden können. Der Akzeptorzustand der CH_1BC-Konfiguration kann direkt nach nasschemischem Ätzen oder einer Wasserstoffplasma-Behandlung bei 373 K beobachtet werden. Im Gegensatz dazu wird durch eine Sperrspannungs-Temperung in Proben mit einer Donatorkonzentration von Nd > 1E15 cm^-3 der Donatorzustand eines CH_n-Komplexes (E90', Ec-0.14 eV), welcher mehr als ein Wasserstoffatom enthält, gebildet. Durch Vergleich mit theoretischen Berechnungen wird n > 2 geschlussfolgert. Die Niveaus E65 und E75 sind in Proben mit einem hohen Sauerstoffanteil (> 1E17 cm^-3) dominant. Beide Niveaus gehören zu einer durch ein O-Atom verzerrten CH_1BC-Konfiguration. Das Auftreten von zwei Niveaus wird durch zwei nicht-äquivalente Positionen des O-Atoms bezüglich der CH-Bindung erklärt. Die Eigenschaften von E42, E90, E262 und H180 wurden ebenfalls in verdünnten SiGe-Legierungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Ge-Atome in der direkten Umgebung der Defekte zusätzliche Defektniveaus erzeugen, die in der Bandlücke nahe zu den Si-Defektniveaus liegen und von durch Ge-Atomen verzerrten Defekten stammen. Die beobachteten relativen Konzentrationen dieser Ge-korrelierten Niveaus kann mit Modellen der atomaren Struktur der Defekte erklärt werden. Eine Verschiebung der Defektniveaus proportional zum Ge-Anteil in der Legierung wurde beobachtet. Eine Extrapolation dieser Verschiebung legt den Schluss nahe, dass E90 und E262 auch in reinem Ge beobachtbar sein sollten. Tatsächlich wurde ein Wasserstoff-korrelierter Defekt E150 (Ec-0.31 eV) in n-Typ Germanium beobachtet. Die Konzentration von E150 ist nach einer Wasserstoffplasma-Behandlung wesentlich höher als nach nasschemischen Ätzen. Es wird gezeigt, dass E150 ein einzelnes Wasserstoffatom und ein noch unbekanntes Verunreinigungsatom enthält, höchstwahrscheinlich Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium. Damit ist E150 ein sehr wahrscheinlicher Kandidat für einen CH-Komplex in Germanium.

The understanding of the electrical properties of defects introducing deep levels in silicon is of prime technological importance in modern microelectronics. In this thesis, a comprehensive study of the transition metals titanium, cobalt, and nickel in silicon, and of their interaction with hydrogen is presented. The formed defects are detected and characterized by deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy. A natural starting point for a study of metal-hydrogen reactions in silicon is the analysis of the effect of hydrogen on metal-free silicon. Complexes of hydrogen with carbon, which create deep levels in the band gap of silicon, are observed. Titanium introduces three levels into the band gap. The charge states determined in this thesis are in contradiction to the literature, questioning the assignment of these levels. Upon hydrogenation, TiH complexes with one, two, and three hydrogen atoms are identified. A proposition by theory that two different configurations of TiH with one hydrogen atom exist, can be supported. Cobalt is shown to have only one level in the band gap of silicon, whereas a second level previously attributed to cobalt is assigned to the cobalt-boron pair. Two CoH complexes are determined. Nickel has three levels in the band gap. Upon hydrogenation, complexes with up to three hydrogen atoms are identified. One of the defects can be observed in both n - and p -type silicon. For all three metals investigated, passive hydrogen complexes exist. They are created by further hydrogenation after the appearance of the above mentioned electrically active complexes. The thesis concludes with a comparison of the obtained results with those of neighboring elements to look for similarities and patterns. / Das Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Defekten, welche tiefe Niveaus in der Bandlücke von Silizium erzeugen, ist von außerordentlichem Interesse für die moderne Mikroelektronik. In der vorliegenden Dissertation wird eine umfassende Untersuchung der Übergangsmetalle Titan, Kobalt und Nickel in Silizium und ihrer Wechselwirkung mit Wasserstoff vorgestellt. Die entstandenen Defekte werden mit Hilfe von Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS - deep level transient spectroscopy), Laplace DLTS und Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS - minority carrier transient spectroscopy) beobachtet und charakterisiert. Für eine fehlerfreie Analyse der Metall-Wasserstoff-Reaktionen ist es sinnvoll, zuerst den Einfluss des Wasserstoffs auf metallfreies Silizium zu prüfen. Dabei wird die Bildung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen, welche Niveaus in der Bandlücke von Silizium erzeugen, beobachtet. Titan besitzt drei Niveaus in der Bandlücke von Silizium. Die in dieser Arbeit bestimmten Ladungszustände stehen im Widerspruch zu den Literaturangaben, daher wird die Zuordnung dieser Niveaus in Frage gestellt. Die Reaktion von Titan mit Wasserstoff führt zu elektrisch aktiven Komplexen mit bis zu drei Wasserstoffatomen. Die Ergebnisse unterstützen einen Vorschlag aus der Theorie, nach dem der Komplex mit einem Wasserstoff zwei verschiedene Konfigurationen besitzen soll. Kobalt erzeugt ein Niveau in der Bandlücke. Ein weiteres Niveau, welches früher ebenfalls dem Kobalt zugewiesen wurde, kann dem Kobalt-Bor-Paar zugeordnet werden. Nach der Reaktion mit Wasserstoff können zwei CoH-Komplexe nachgewiesen werden. Nickel besitzt drei Niveaus in der Bandlücke und erzeugt elektrisch aktive NiH-Komplexe mit bis zu drei Wasserstoffatomen. Einer dieser Defekte kann sowohl im n - als auch im p -Typ Silizium beobachtet werden. Alle drei untersuchten Metalle besitzen elektrisch passive Komplexe, welche nach der weiteren Reaktion von Wasserstoff mit den aktiven Komplexen entstehen. Die Arbeit endet mit einem Vergleich der Ergebnisse mit denen benachbarter Elemente, um mögliche Ähnlichkeiten oder Muster zu erkennen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenglättung und selbstorganisierten Musterbildung auf Si(100) und Ge(100) durch Beschuss mit niederenergetischen Edelgasionen (Ne, Ar, Kr, Xe). Die Untersuchungen wurden für Ionenenergien zwischen 400 eV und 2000 eV für Ioneneinfallswinkel von 0° bis 85° durchgeführt. Zudem wurde die zeitliche Entwicklung spezifischer Erosionsformen durch die Variation der Fluenz über zwei Größenordnungen analysiert. In den Experimenten finden sich deutliche Anzeichen einer Facettierung sowie einer Vergröberung der Strukturen mit zunehmender Erosionszeit. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass von Beginn an gradientenabhängiges Zerstäuben und die Reflexion von Primärionen einen wesentlichen Einfluss auf die Strukturentwicklung haben. Die Ergebnisse werden im Kontext bestehender Musterbildungsmodelle diskutiert.

Versetzungen sind linienhafte Störungen in Kristallen und beeinflussen die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften des Halbleitermaterials. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Versetzungen in Silizium anhand des Studiums ihrer charakteristischen Lumineszenz, der sogenannten D-Linien, untersucht. Dabei wurden die Versetzungen in einkristallinen Siliziumproben verschiedener Orientierung in einem einstufigen Prozess mittels plastischer Verformung bei hohen Temperaturen erzeugt und ggf. in einem zweiten Schritt durch Hochlastverformung bei tieferen Temperaturen modifiziert. Als Methoden zur Untersuchung der optischen Eigenschaften der Versetzungen werden Photolumineszenz (PL)- und Kathodolumineszenz (KL)-Spektroskopie verwendet. Gleitstufen an der Probenoberfläche werden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Versetzungsanordnungen im Probenvolumen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) abgebildet. Die Versetzungsstruktur der auf Einfachgleitung orientierten Proben ist durch relaxierte Versetzungen (einstufige Verformung) bzw. gerade Versetzungen (zweistufige Verformung) gekennzeichnet. In der auf Vielfachgleitung orientierten Probe werden mehrere Gleitsysteme gleichartig aktiviert. Es bildet sich ein Zellmuster aus, wobei das Innere der ca. 1 µm großen Zellen im Wesentlichen versetzungsfrei ist und die Zellwände eine hohe Versetzungsdichte aufweisen. Generell sind die mittleren Versetzungsdichten aller Proben hoch. Sie betragen zwischen 5 x 10^7 und 1 x 10^9 cm-2. Die Lumineszenz der einstufig verformten Proben ist durch das Auftreten von vier Linien (D1 bis D4) im Spektrum gekennzeichnet. In den zweistufig verformten Proben dominieren die Linien D5 und D6 die Lumineszenz. Die spektralen Positionen aller D-Linien entsprechen den aus der Literatur bekannten Daten. Die integrale Lumineszenzintensität im Bereich der D-Linien nimmt mit wachsender mittlerer Versetzungsdichte zu. Zusätzlich kann in den zweistufig verformten Proben eine bisher nicht identifizierte Lumineszenzlinie bei einer Energie von 1,090 eV festgestellt werden. Für diese Linie wird in dieser Arbeit die Bezeichnung P^2SD verwendet. In den KL-Abbildungen wird für alle D-Linien und die P^2SD-Linie im Wesentlichen eine örtlich homogene Lumineszenzverteilung festgestellt. Dies wird auf eine im Maßstab des KL-Wechselwirkungsvolumens homogene Versetzungsverteilung zurückgeführt. Die lokalen Schwankungen der KL um die mittlere Intensität betragen maximal 15 %. Diese Schwankungen äußern sich in hellen und dunklen Lumineszenzstreifen, deren Breite deutlich größer als der mittlere Versetzungsabstand ist. Aus dem Vergleich von KL-Bildern mit Rückstreuelektronenbildern der Oberflächengleitstufen ergeben sich folgende Aussagen: Die KL-Intensität der D3- und D4-Linie ist auf markanten Gleitbändern im Vergleich zur Umgebung verringert, wogegen die Intensität der Linien D1 und D2 auf markanten Gleitbändern erhöht ist. Für die D5-Bande, die D6-, und die P^2SD-Linie kann kein allgemeiner Zusammenhang zwischen der Lokalisierung der Lumineszenz und der Gleitaktivität festgestellt werden. Anhand der experimentellen Ergebnisse kann die D3-Linie als TO-Phononenreplik der D4-Linie identifiziert werden. Für die D4-Lumineszenz werden zwei Rekombinationsmodelle diskutiert. Zum einen kann sie durch die exzitonische Rekombination an eindimensionalen Energiebändern erklärt werden, die durch das Verzerrungsfeld der Versetzungen von den jeweiligen Volumenenergiewerten abgespalten sind. Zum anderen kann auch die Rekombination eines tief gebundenen Elektrons mit einem schwach gebundenen Loch für die D4-Lumineszenz verantwortlich sein. In jedem Fall ist das Auftreten der D4-Linie an die Existenz von relaxierten 60 °- und Schraubenversetzungen gebunden. Die D1-Linie wird als OGamma-Phononenreplik der D2-Linie vorgeschlagen. Die D2-Linie selbst kann als ein strahlender Übergang zwischen zwei gebundenen Zuständen eines zweidimensionalen Potentialtopfs endlicher Tiefe modelliert werden. Die Abmessungen dieses Potentialtopfs sind dabei durch die Ausdehnung von Kinken und Jogs auf der Versetzungslinie gegeben. Allerdings könnte auch ein interner Übergang zwischen den Niveaus eines tiefen Defekts innerhalb der Bandlücke als Erklärung herangezogen werden. Wegen der Zunahme der Lumineszenzintensiät der D2-Linie durch thermische Behandlungen sollten Kinken, Jogs, und Punktdefekte im Verzerrungsfeld der Versetzungen als Ursache der D2-Lumineszenz in Frage kommen. Auch die P^2SD-Linie kann mithilfe von zwei unterschiedlichen Rekombinationsmodellen erklärt werden (free-to-bound-Übergang oder exzitonische Rekombination an zweidimensionalen Energiebändern). Punktdefekte, die während des zweistufigen Verformungsprozesses entstehen, könnten die P^2SD -Linie hervorrufen.

In this thesis, a comprehensive study of the electrical properties of carbon-hydrogen (CH) complexes in silicon (Si) and silicon-germanium (SiGe) alloys is presented. These complexes form by the reaction of residual carbon impurities with hydrogen that is introduced either by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma. The complexes were detected and characterized by the deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy (MCTS) technique. With this approach, properties like the activation enthalpy for carrier emission, the capture cross section, the charge state, and the thermal stability of the complexes were determined. The composition of the complexes was derived from the analysis of their depth profiles in samples with different impurity concentrations. Using these methods, eight carbon-hydrogen related defect levels (E42, E65, E75, E90, E90', E262, H50, H180) and one hydrogen related level (E150) were detected in Si, SiGe alloys and Ge. Hydrogen plasma treatment at temperatures around 373 K introduces four dominant traps in Si at about Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180), and Ev+0.08 eV (H50). E42 and E262 are shown to be two charge states of the same defect. The characteristic field dependence of their emission rate links E42 with the double acceptor level and E262 with the single acceptor level of a CH complex. By comparison of their properties with calculations they are assigned to the anti-bonding configuration of the CH complex (CH_1AB). H180 was previously suggested to be the donor state of the CH_1AB configuration. This hypothesis could not be confirmed. Instead, it is shown that H180 exhibits a barrier for hole capture of about 53 meV, which hinders the reliable determination of its charge state from the field dependence of the emission rate. However, its activation enthalpy is in reasonable agreement with the predicted level position of the acceptor state of the CH_T configuration of CH, where H sits on the tetrahedral interstitial (T) position next to carbon. Therefore, H180 is tentatively assigned to CH_T. H50 is reported for the first time and it appears with concentrations close to the detection limit of the DLTS technique (~1E11 cm^-3). This complicates the determination of its charge state. Nevertheless, theory predicts the acceptor level of the CH_2AB configuration at about Ev+0.07 eV, which is remarkably close to the experimental value of H50. Therefore, H50 is tentatively assigned to the acceptor level of CH_2AB. In contrast, hydrogenation of silicon by wet chemical etching introduces three dominant levels at Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75), and Ec-0.16 eV (E90). Previously, E90 was contradictorily assigned by different authors to the donor and to the acceptor state of the bond-centered configuration of the CH complex (CH_1BC). In this work, this contradiction is resolved. It is shown that two different defect levels (E90 and E90') appear in the DLTS spectra at about 90 K in samples with a low oxygen concentration (< 1E17 cm^-3). The acceptor state of the CH_1BC configuration (E90) can be observed directly after hydrogenation by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma treatment at temperatures below 373 K. In contrast, the donor state of a CH_n complex (E90', Ec-0.14 eV), that involves more than one hydrogen atom, is formed by a reverse bias annealing of samples with a net donor concentration of Nd > 1E15 cm^-3. By comparison with theory it is concluded that n > 2. In samples with a high oxygen concentration (> 1E17 cm^-3) E65 and E75 are dominant. Both levels belong to the CH_1BC configuration disturbed by a nearby oxygen atom. The appearance of two levels is the result of two inequivalent positions of the oxygen atom in respect to the CH bond. E42, E90, E262, and H180 are also investigated in diluted SiGe alloys to analyze the influence of alloying on their electrical properties. The presence of Ge atoms in the closest environment of the defects leads to the appearance of additional defect levels close to those observed in pure Si. The relative concentration of these additional defects is in agreement with models of the proposed defect structure of E42, E90, E262, and H180. An increase of the Ge content in SiGe alloys leads to a shift of the defect levels in the band gap of SiGe. An extrapolation of this shift predicts the appearance of E90 and E262 also in pure Ge. A hydrogen related level E150 (Ec-0.31 eV) is indeed observed in hydrogenated n-type Ge. Its concentration is significantly higher after hydrogen plasma treatment than after wet chemical etching. It is shown that E150 contains a single hydrogen atom and involves an unknown impurity, most likely carbon, oxygen, or silicon. E150 represents a reasonable candidate for a CH complex in Ge. / In dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen in Silizium (Si) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) studiert. Diese Komplexe bilden sich durch Reaktion von Kohlenstoff-Verunreinigungen mit Wasserstoff, welcher durch nasschemisches Ätzen oder eine Wasserstoffplasma-Behandlung eingebracht wird. Der Nachweis und die Charakterisierung der Defekte erfolgte mit den Methoden der Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS), Laplace DLTS und der Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS). Damit wurden Eigenschaften wie die Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, die Einfangquerschnitte, der Ladungszustand und die thermische Stabilität der Komplexe bestimmt. Die Zusammensetzung der Komplexe wurde durch eine Analyse der Tiefenprofile ermittelt, welche in Proben mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen gemessen wurden. Mit diesen Methoden wurde acht Kohlenstoff-Wasserstoff-korrelierte Defektniveaus (E42, E65, E75, E90', E90, E262, H50, H180) in Si und SiGe und ein Wasserstoff-korreliertes Niveau in Ge nachgewiesen. Eine Wasserstoffplasma-Behandlung bei Temperaturen um 373 K erzeugt vier dominante Defektniveaus in Si bei Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180) und Ev+0.08 eV. Es wird gezeigt, dass E42 und E262 zwei Ladungszustände desselben Defektes sind. Die charakteristische Feldabhängigkeit der Emissionsrate zeigt, dass E42 der Doppel-Akzeptor- und E262 der Einfach-Akzeptor-Zustand eines CH-Komplexes ist. Durch Vergleich der beobachteten Eigenschaften mit theoretischen Berechnungen werden beide Niveaus der antibindenden Konfiguration des CH-Komplexes (CH_1AB) zugeordnet. Das Niveau H180 wurde in der Literatur bisher mit dem Donator-Zustand der CH_1AB-Konfiguration in Verbindung gebracht. Diese Hypothese konnte nicht bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass H180 eine Barriere für den Löchereinfang von etwa 53 meV besitzt, was die Bestimmung des Ladungszustandes aus der Feldabhängigkeit der Emissionsrate erschwert. Die Aktivierungsenergie von H180 stimmt jedoch befriedigend mit der berechneten Aktivierungsenergie des Akzeptorzustandes der CH_T-Konfiguration überein, bei der H auf der T-Zwischengitterposition sitzt. Daher wird H180 vorläufig dem CH_T-Komplex zugeordnet. Das Niveau H50, welches zum ersten Mal hier beschrieben wird, wird nur mit sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen. Dies erschwert die Bestimmung des Ladungszustandes. Die Aktivierungsenergie von H50 stimmt jedoch auffallend gut mit dem von der Theorie vorhergesagten Akzeptorniveau von CH_2AB (Ev+0.07 eV) überein. Daher wird H50 vorrübergehend CH_2AB zugeordnet. Das Einbringen von Wasserstoff in Silizium durch nasschemisches Ätzen führt zu drei dominanten Defektniveaus bei Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75) und Ec-0.16 eV (E90). E90 wurde bisher widersprüchlich von verschiedenen Autoren dem Donatorzustand und dem Akzeptorzustand der bindungszentrierten Konfiguration (CH_1BC) des CH-Komplexes zugeordnet. Dieser Widerspruch konnte aufgelöst werden. Es wird gezeigt, dass in Silizium mit niedrigem Sauerstoffanteil (< 1E17 cm^-3) zwei verschiedene Defektniveaus (E90 und E90') bei etwa 90 K in den DLTS-Spektren erscheinen, welche nur mit der Laplace DLTS-Technik aufgelöst werden können. Der Akzeptorzustand der CH_1BC-Konfiguration kann direkt nach nasschemischem Ätzen oder einer Wasserstoffplasma-Behandlung bei 373 K beobachtet werden. Im Gegensatz dazu wird durch eine Sperrspannungs-Temperung in Proben mit einer Donatorkonzentration von Nd > 1E15 cm^-3 der Donatorzustand eines CH_n-Komplexes (E90', Ec-0.14 eV), welcher mehr als ein Wasserstoffatom enthält, gebildet. Durch Vergleich mit theoretischen Berechnungen wird n > 2 geschlussfolgert. Die Niveaus E65 und E75 sind in Proben mit einem hohen Sauerstoffanteil (> 1E17 cm^-3) dominant. Beide Niveaus gehören zu einer durch ein O-Atom verzerrten CH_1BC-Konfiguration. Das Auftreten von zwei Niveaus wird durch zwei nicht-äquivalente Positionen des O-Atoms bezüglich der CH-Bindung erklärt. Die Eigenschaften von E42, E90, E262 und H180 wurden ebenfalls in verdünnten SiGe-Legierungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Ge-Atome in der direkten Umgebung der Defekte zusätzliche Defektniveaus erzeugen, die in der Bandlücke nahe zu den Si-Defektniveaus liegen und von durch Ge-Atomen verzerrten Defekten stammen. Die beobachteten relativen Konzentrationen dieser Ge-korrelierten Niveaus kann mit Modellen der atomaren Struktur der Defekte erklärt werden. Eine Verschiebung der Defektniveaus proportional zum Ge-Anteil in der Legierung wurde beobachtet. Eine Extrapolation dieser Verschiebung legt den Schluss nahe, dass E90 und E262 auch in reinem Ge beobachtbar sein sollten. Tatsächlich wurde ein Wasserstoff-korrelierter Defekt E150 (Ec-0.31 eV) in n-Typ Germanium beobachtet. Die Konzentration von E150 ist nach einer Wasserstoffplasma-Behandlung wesentlich höher als nach nasschemischen Ätzen. Es wird gezeigt, dass E150 ein einzelnes Wasserstoffatom und ein noch unbekanntes Verunreinigungsatom enthält, höchstwahrscheinlich Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium. Damit ist E150 ein sehr wahrscheinlicher Kandidat für einen CH-Komplex in Germanium.

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