DE102011009937B4 - Method and device for characterizing semiconductor layers on a conductive substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten: Kontaktieren des Substrats (3) mit einem ersten Abschnitt (2.1) einer planaren Mikrowellenleitung; Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an einen zweiten Abschnitt (2.2) der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die dem Substrat (3) abgewandte Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv erfolgt; Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) in den ersten Abschnitt (2.1) der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung; Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind; Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfasst wird.A method of measuring electrical properties of at least one semiconductor layer located on an electrically conductive substrate and thereby electrically shorted by the substrate in the lateral direction, comprising the steps of: contacting the substrate (3) with a first portion (2.1) of a planar microwave line; Producing a coupling of the semiconductor layer (4) to a second section (2.2) of the planar microwave line, the coupling taking place capacitively via the surface of the semiconductor layer (4) facing away from the substrate (3); Coupling electromagnetic waves of a microwave frequency (ω) into the first section (2.1) of the planar microwave line and coupling out of the second section (2.2) of the microwave line; Detecting at least one measured value on the planar microwave line while the microwaves are coupled to a microwave frequency (ω); Comparing the measured value acquired at a microwave frequency (ω) with at least one subsequent comparative measured value which is detected when the semiconductor layer (4) is influenced externally by an energetic action.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Charakterisierung von Halbleiterschichten auf einem leitfähigen Substrat.The invention relates to a method and an arrangement for characterizing semiconductor layers on a conductive substrate.
Der Wirkungsgrad eines solchen komplexen Bauelements wie einer modernen Dünnschichtsolarzelle hängt im Wesentlichen von den Eigenschaften der Schichten, insbesondere der beteiligten Halbleiterschichten, ab, aus den die Dünnschichtsolarzelle aufgebaut ist. Üblicherweise sind eine Anzahl Halbleiterschichten über einem Substrat vorhanden. Die Anzahl von Halbleiterschichten ist auf der dem Substrat abgewandten Seite durch eine transparente Schutzschicht, wie z. B. einer Glasschicht, abgeschlossen.The efficiency of such a complex component as a modern thin-film solar cell essentially depends on the properties of the layers, in particular of the semiconductor layers involved, from which the thin-film solar cell is constructed. Usually, a number of semiconductor layers are present over a substrate. The number of semiconductor layers is on the side facing away from the substrate by a transparent protective layer, such. B. a glass layer completed.
Es ist dabei schwierig, eine mögliche Fehlfunktion der Dünnschichtsolarzelle auf die jeweiligen Eigenschaften einer bestimmten Halbleiterschicht eindeutig zurückzuführen, da die einzelnen Halbleiterschichten in einer fertigen Dünnschichtsolarzelle nicht direkt untersucht werden können. Besonders schwierig sind Untersuchungen an Halbleiterschichten auf leitfähigen Substraten, wie z. B. auf solchen wie der metallische Rückkontakt einer Solarzelle. Interessant sind die Zusammensetzung, Struktur und die Bandlücke, aber vor allem die Eigenschaften der Ladungsträgern in den Schichten, wie die Netto-Ladungsträgerkonzentrationen von Majoritäts- und die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern.It is difficult to unequivocally attribute a possible malfunction of the thin-film solar cell to the respective properties of a specific semiconductor layer, since the individual semiconductor layers in a finished thin-film solar cell can not be directly examined. Particularly difficult are studies on semiconductor layers on conductive substrates, such. B. on such as the metallic back contact of a solar cell. Of interest are the composition, structure, and band gap, but especially the properties of the charge carriers in the layers, such as the net carrier concentrations of majority and the lifetime of minority carriers.
Bisher konnte man die umfassende Analytik vor allem auf Volumenhalbleiterkristalle anwenden. Insbesondere haben sich in den letzten Jahren verschiedene Versionen des QSSPC-Verfahrens (quasi steady-state photo conductance) für die Bestimmung der Lebensdauer in Si durchgesetzt (Sinton et al. (1996), Appl. Phys. Lett., 69: 2510–2512). Bei dünnen Halbleiterschichten erfolgte dagegen die Charakterisierung elektrischer Eigenschaften meist anhand der Erfassung des Ladungstransports in den Halbleiterschichten in lateraler Richtung, wobei die Halbleiterschichten, zum Zwecke der Prüfung, zuvor auf ein nichtleitfähiges Substrat abgeschieden wurden. Bekannt ist ein Verfahren nach van der Pauw (1958, Philips Research Reports. 13, Nr. 1, 5. 1–9) zur Bestimmung der Parameter von Majoritätsladungsträgern.So far, one could apply the comprehensive analysis especially on volume semiconductor crystals. In particular, in recent years, various versions of the QSSPC method (quasi steady-state photo conductance) have been established for determining the lifetime in Si (Sinton et al., (1996) Appl. Phys. Lett., 69: 2510-2512) ). In the case of thin semiconductor layers, on the other hand, the characterization of electrical properties was mostly carried out on the basis of the detection of the charge transport in the semiconductor layers in the lateral direction, the semiconductor layers having been previously deposited on a nonconductive substrate for the purpose of testing. A method according to van der Pauw (1958, Philips Research Reports, 13, No. 1, 5. 1-9) is known for determining the parameters of majority charge carriers.
Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: Erstens ist, bedingt durch die anisotrope polykristalline Struktur von dünnen Halbleiterschichten sowie durch den Verlauf der Korngrenzen, der Ladungstransport in der lateralen Richtung wesentlich verschieden vom Ladungstransport in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche. Nach der van der Pauw-Methode wird der laterale Transport untersucht, dagegen ist für die Funktion der Solarzelle der senkrechte Ladungstransport, insbesondere in der Absorberschicht, von großer Bedeutung.This method has two major disadvantages. First, due to the anisotropic polycrystalline structure of thin semiconductor layers and the grain boundary, charge transport in the lateral direction is substantially different from charge transport in the direction perpendicular to the layer surface. According to the van der Pauw method, the lateral transport is investigated, whereas for the function of the solar cell the vertical charge transport, in particular in the absorber layer, is of great importance.
Zweitens verläuft das Wachstum der Halbleiterschicht auf einem fremden, isolierenden Substrat in der Regel anders als auf dem elektrisch leitenden Rückkontakt einer Solarzelle. Durch diese zwei wesentliche Störungen sind die Messdaten von Teststrukturen auf fremden Substraten für die Eigenschaften von denselben Schichten in der Solarzelle nur bedingt bis nicht aussagefähig.Second, the growth of the semiconductor layer on a foreign, insulating substrate usually proceeds differently than on the electrically conductive back contact of a solar cell. Due to these two significant disturbances, the measurement data of test structures on foreign substrates for the properties of the same layers in the solar cell are only limited to meaningless.
Es sind weitere Messverfahren bekannt. Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Bestimmen von Änderungen der Ladungstransporteigenschaften einer Halbleiterschicht zu finden, die Untersuchungen in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche und eine reproduzierbare Kontaktierung der Halbleiterschicht gestattet.The invention has for its object to find a new way to determine changes in the charge transport properties of a semiconductor layer, the investigations in the direction perpendicular to the layer surface and a reproducible contacting the semiconductor layer allows.
Die Aufgabe wird in einem Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten gelöst:
- – Kontaktieren des Substrats mit einem ersten Abschnitt einer planaren Mikrowellenleitung;
- – Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht an einen zweiten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die dem Substrat abgewandte Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv erfolgt;
- – Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz in den ersten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung;
- – Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind;
- – Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfasst wird.
- - contacting the substrate with a first portion of a planar microwave line;
- - Producing a coupling of the semiconductor layer to a second portion of the planar microwave line, wherein the coupling via the surface facing away from the substrate of the semiconductor layer is capacitive;
- - coupling electromagnetic waves of a microwave frequency into the first section of the planar microwave line and coupling out of the second section of the microwave line;
- - detecting at least one measured value on the planar microwave line while the microwaves are coupled to a microwave frequency;
- - Comparing the measured value detected at a microwave frequency with at least one subsequent comparison measured value, which is detected at an external energetic influence of the semiconductor layer.
Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Auswertung der Änderung der stationären Mikrowellenleitfähigkeit der Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der äußeren energetischen Beeinflussung, ohne dass Transienten aufgenommen werden und es bei der Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration zur Mikrowellenresonanz kommt.The basic idea of the invention is based on the evaluation of the change in the stationary microwave conductivity of the semiconductor layer as a function of the external energy influence, without transients being recorded and microwave radiation being determined in the determination of the charge carrier concentration.
Die kapazitive Ankopplung der Halbleiterschicht an den zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung erfolgt durch eine auf die Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebrachte Schicht (Flüssigkeitsschicht) einer dielektrischen FIüssigkeit, wobei die Schichtdicke der Flüssigkeitsschicht konstant gehalten wird.The capacitive coupling of the semiconductor layer to the second section of the microwave line is effected by a layer (liquid layer) of a dielectric liquid applied to the surface of the semiconductor layer, the layer thickness of the liquid layer being kept constant.
Eine energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht kann durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischen Strahlung erfolgen. Eine energetische Beeinflussung kann sowohl in einer Erhöhung (z. B: Erwärmung, Anregung) als auch in einer Reduzierung (z. B. Abkühlung, Abschattung) der Halbleiterschicht bestehen.An energetic influencing of the semiconductor layer can take place by irradiation with an electromagnetic radiation. An energetic influence can consist both in an increase (eg: heating, excitation) and in a reduction (eg cooling, shading) of the semiconductor layer.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht durch eine Änderung der Temperatur der Halbleiterschicht.In a preferred embodiment of the invention, the energetic influencing of the semiconductor layer is effected by a change in the temperature of the semiconductor layer.
Dies kann mittels Bestrahlung durch ein mit dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung verbundenes Kontaktierungselement der Flüssigkeitsschicht hindurch erfolgen. Das Kontaktierungselement und die Flüssigkeitsschicht sind dann im Wesentlichen für die verwendete Strahlung transparent.This can take place by means of irradiation through a contacting element of the liquid layer connected to the second section of the microwave line. The contacting element and the liquid layer are then substantially transparent to the radiation used.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können folgende zusätzliche Schritte erfolgen:
- – Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und keine Halbleiterschicht vorhanden ist;
- – Erfassen mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine Halbleiterschicht vorhanden ist.
- Detecting at least one reference measured value at the second section of the microwave line, while the electromagnetic waves are coupled to the microwave frequency and no semiconductor layer is present;
- - Detecting at least one measured value at the second portion of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency are coupled and a semiconductor layer is present.
Es ist dabei möglich, dass zeitlich aufeinanderfolgend elektromagnetische Wellen mit je einer Mikrowellenfrequenz aus einer gewählten Bandbreite von Mikrowellenfrequenzen in die Mikrowellenleitung eingekoppelt werden, bis eine Grenzfrequenz gefunden ist, durch die ein vorbestimmtes Auswahlkriterium erfüllt ist.It is possible that temporally successive electromagnetic waves, each with a microwave frequency from a selected range of microwave frequencies are coupled into the microwave line until a cutoff frequency is found by a predetermined selection criterion is met.
Ein solches vorbestimmtes Auswahlkriterium kann in der Bestimmung der Grenzfrequenz ωG der Mikrowellen-Transmissionsfunktion bestehen, welche die Bedingung 1/ωG CH = RH erfüllt, wobei RH der elektrische Widerstand der Halbleiterschicht und CH die bekannte Kapazität der Halbleiterschicht sind.Such a predetermined selection criterion may consist in the determination of the cut-off frequency ω G of the microwave transmission function satisfying the
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Berücksichtigung des Probenträgers einschließlich der Flüssigkeitsschicht durch Auswertung der Referenzmesswerte.In an advantageous embodiment of the method, the sample carrier including the liquid layer is taken into account by evaluating the reference measured values.
Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass, wenn mindestens eine Eigenschaft der Halbleiterschicht durch eine Änderung einer auf die Halbleiterschicht aufgebrachten Energie beeinflusst wird, die Beeinflussung zu einer erfassbaren Änderung der Grenzfrequenz führt.An advantage of the method is that if at least one property of the semiconductor layer is influenced by a change in an energy applied to the semiconductor layer, the influence leads to a detectable change in the cutoff frequency.
Die Änderung der Grenzfrequenz kann mittels eines nach dem Lock-in-Prinzip arbeitenden Bauelements erfolgen.The change of the cutoff frequency can be effected by means of a working according to the lock-in principle device.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet, gelöst. Die Anordnung ist zu beschreiben mit:
- – einer planaren Mikrowellenleitung, die in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander separiert sind;
- – Mitteln zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Substrats durch den ersten Abschnitt;
- – Mitteln zur gesteuerten Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz und zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den ersten Abschnitt an einem Eingang der Mikrowellenleitung;
- – einem Kontaktierungselement zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen dem zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt der Mikrowellenleitung, wobei das Kontaktierungselement mit der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv kontaktierbar ist;
- – Mitteln zur Erfassung mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt an einem Ausgang der Mikrowellenleitung;
- – Mittel zum Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfassbar ist.
- A planar microwave line divided into a first portion and a second portion, the first portion and the second portion being separated from each other;
- - Means for electrically conductive contacting of the substrate by the first section;
- - Means for the controlled generation of electromagnetic waves with at least one microwave frequency and for coupling the electromagnetic waves in the first section at an input of the microwave line;
- A contacting element for producing an electrically conductive contact between the second section and the first section of the microwave line, wherein the contacting element is capacitively contactable with the surface of the semiconductor layer facing away from the substrate;
- - means for detecting at least one measured value at the second section at an output of the microwave line;
- - Means for comparing the measured value detected at a microwave frequency with at least one subsequent comparison measured value, which is detectable in an external energetic influencing of the semiconductor layer.
Die planare Mikrowellenleitung kann durch flache Elemente gegeben sein, die für Mikrowellen leitfähig und zueinander beabstandet sind. Eine planare Mikrowellenleitung kann beispielsweise eine Streifenleitung sein, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei verläuft eine Streifenleitung parallel zu einer Plattenelektrode und ist von dieser durch ein nicht-leitendes Medium, z. B. Luft oder ein Werkstoff einer Halbleiterplatine, beabstandet.The planar microwave line can be given by flat elements which are conductive to microwaves and spaced from one another. For example, a planar microwave line may be a stripline, as known in the art. In this case, a strip line runs parallel to a plate electrode and is separated from it by a non-conductive medium, for. As air or a material of a semiconductor board, spaced.
Zur kapazitiven Kontaktierung der Halbleiterschicht ist eine Flüssigkeitsschicht einer dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen.For capacitive contacting of the semiconductor layer, a liquid layer of a dielectric liquid is provided.
Es ist dabei von großem Vorteil, wenn ein Abstandshalter zur Konstanthaltung der Dicke der Flüssigkeitsschicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Kontaktierungselement vorhanden ist.It is of great advantage if a spacer for maintaining the thickness of the liquid layer between the semiconductor layer and the contacting element is present.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn am Kontaktierungselement lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements gegenüber dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung und gegenüber der Halbleiterschicht angebracht sind.It is furthermore advantageous if releasable means for generating pressure and fixing the contacting element with respect to the second section of the microwave line and with respect to the semiconductor layer are attached to the contacting element.
In einer weiterführenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung können
- – Mittel zum Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine metallische Referenzprobe ohne Halbleiterschicht und
- – Mittel zum Vergleichen des bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens dem bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Referenzmesswert vorhanden sein.
- - Means for detecting at least one reference measured value at the second portion of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency are coupled and a metallic reference sample without semiconductor layer and
- - Means for comparing the detected at the microwave frequency measurement with at least the detected at the microwave frequency reference measurement be present.
Es ist eine bevorzugte Ausführung der Anordnung, wenn die Mittel zum Vergleich des mindestens einen erfassten Messwertes und des mindestens einen erfassten Vergleichsmesswertes oder Referenzmesswertes wenigstens ein nach dem Lock-in-Prinzip arbeitendes Bauelement enthalten.It is a preferred embodiment of the arrangement if the means for comparing the at least one detected measured value and the at least one detected comparative measured value or reference measured value contain at least one element operating according to the lock-in principle.
In einer erfindungsgemäßen Anordnung wird eine kapazitive Ankopplung des Halbleiters durch die Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, z. B. Wasser oder Glyzerin, realisiert, womit die Kontaktproblematik vollständig gelöst ist. Diese Art und Weise der Kontaktierung der Oberfläche der Halbleiterschicht ist kaum empfindlich gegen lokale Kurzschlüsse wegen der fehlenden Halbleiterschicht (Shunts). Sie zerstört zudem die Halbleiterschicht nicht und ist, bei Zuhilfenahme eines Abstandhalters zur Gewährleistung einer konstanten Dicke der Flüssigkeitsschicht der Flüssigkeit, gut reproduzierbar. Im Gegensatz zum klassischen QSSPC wird nicht die Gleichstromimpedanz, sondern eine Mikrowellenimpedanz zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Mikrowellenleitung gemessen. Die Messung kann mit einem Netzwerkanalysator oder einfacher mit einem Mikrowellengenerator am Eingang und einem Mikrowellendetektor, z. B. einem Diodenmesskopf, am Ausgang realisiert werden.In an arrangement according to the invention, a capacitive coupling of the semiconductor by the liquid with a high dielectric constant, for. As water or glycerol, realized, so that the contact problem is completely solved. This way of contacting the surface of the semiconductor layer is hardly sensitive to local short circuits because of the missing semiconductor layer (shunts). It also does not destroy the semiconductor layer and is, with the aid of a spacer to ensure a constant thickness of the liquid layer of the liquid, well reproducible. In contrast to the classical QSSPC, it is not the DC impedance that is measured but a microwave impedance between an input and an output of the microwave line. The measurement can be done with a network analyzer or, more simply, with a microwave generator at the input and a microwave detector, e.g. B. a diode sensor, be realized at the output.
Es ist in weiteren Ausführungen der Erfindung auch möglich, dass die Plattenelektrode streifenförmig ausgebildet ist.It is also possible in further embodiments of the invention that the plate electrode is strip-shaped.
Das Mikrowellensignal wird mittels lock-in-Technik in Taktung mit der energetischen Beeinflussung (z. B. mittels Bestrahlung) der Halbleiterschicht ausgewertet. Die Bestrahlung der Halbleiterschicht geschieht durch ein transparentes Kontaktierungselement, z. B. aus ITO-beschichtetem Glas.The microwave signal is evaluated by means of lock-in technology in synchronization with the energetic influencing (eg by means of irradiation) of the semiconductor layer. The irradiation of the semiconductor layer is done by a transparent contacting element, for. B. of ITO-coated glass.
Das Funktionsprinzip des Verfahrens kann so erklärt werden, dass durch die Änderung der Konzentration von Ladungsträgern, z. B. je nach Bestrahlungsintensität, unmittelbar der Widerstand des Halbleiters RH beeinflusst wird.The principle of operation of the method can be explained so that by changing the concentration of charge carriers, for. B. depending on the irradiation intensity, directly the resistance of the semiconductor R H is affected.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Kapazität CH durch die Halbleiterschicht selbst gebildet und ist durch die gegebene Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und die Abmessungen der Halbleiterschicht bekannt. Die Kapazität CL der Flüssigkeitsschicht wird durch die verwendete Flüssigkeit vorgegeben und soll möglichst groß sein.In a preferred embodiment of the invention, the capacitance C H is formed by the semiconductor layer itself and is known from the given dielectric constant of the semiconductor and the dimensions of the semiconductor layer. The capacity C L of the liquid layer is predetermined by the liquid used and should be as large as possible.
Bei einer Mikrowellenfrequenz wesentlich höher als die Grenzfrequenz ist der Blindwiderstand X(CH) = 1/iω CH sehr klein im Vergleich zu RH. Somit ist RH praktisch kurzgeschlossen und seine Änderung durch Bestrahlung oder andere energetische Beeinflussung beeinflusst nicht die Impedanz der Halbleiterschicht. Bei dieser hohen Mikrowellenfrequenz verhält sich der Probenhalter wie ein Kondensator mit einem reinen Blindwiderstand. Bei einer niedrigen Mikrowellenfrequenz wesentlich niedriger als die Grenzfrequenz ist 1/ω CH>>RH, so dass die Kapazität CH der Halbleiterschicht vernachlässigbar ist. Eine Änderung von RH führt zu einer großen Änderung der Impedanz. Es kann gezeigt werden, dass die Grenzbedingung 1/ω CH = RH bei einer Grenzfrequenz
Hier ist die Grenzfrequenz ωG die Kreisfrequenz der Mikrowellenstrahlung entsprechend dem Grenzfall, εε0 die absolute Dielektrizitätskonstante und ρ der spezifische Widerstand des Halbleiters. Da die Dielektrtzitätskonstante für verschiedene Halbleiter bekannt ist und sich wenig ändert, ermöglicht die Messung der Grenzfrequenz ωG eine unmittelbare Bestimmung des spezifischen Widerstands ρ des Halbleiters in der Halbleiterschicht.Here, the limit frequency ω G is the angular frequency of the microwave radiation corresponding to the limiting case, εε 0 the absolute dielectric constant and ρ the resistivity of the semiconductor. Since the dielectric constant for various semiconductors is known and changes little, the measurement of the cutoff frequency ω G allows an immediate determination of the specific resistance ρ of the semiconductor in the semiconductor layer.
Einer Frequenz von 1 GHz und ε = 10 entspricht der spezifische Widerstand ρ = 180 Ohm·cm. Dieser Wert entspricht in etwa einem unbeleuchteten schwachdotierten Solarzellenabsorber. Insofern kann der Widerstand der unbeleuchteten Halbleiterschicht bestimmt werden. Bei der Erhöhung der Intensität einer Bestrahlung (Belichtung) sinkt der spezifische Widerstand ρ und steigt die Grenzfrequenz ωG. Zur Bestimmung der Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern nach dem QSSPC-Prinzip wird die Mikrowellenfrequenz konstant gehalten und die Bestrahlungsintensität wird variiert.A frequency of 1 GHz and ε = 10 corresponds to the specific resistance ρ = 180 Ohm · cm. This value corresponds approximately to an unlit low-doped solar cell absorber. In this respect, the resistance of the unlit semiconductor layer can be determined. When increasing the intensity of an irradiation (exposure), the specific resistance ρ decreases and the limit frequency ω G increases . To determine the lifetime of minority carriers according to the QSSPC principle, the microwave frequency is kept constant and the irradiation intensity is varied.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:The invention will be explained in more detail with reference to figures and embodiments. The pictures show:
Als wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Anordnung sind in
Die Streifenleitung
Auf dem zweiten Abschnitt
Der Träger
Ein zwischen der Halbleiterschicht
Der Abstandshalter
Der erste Abschnitt
Durch eine auf den Träger
Die Kraft F kann durch lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements (nicht gezeigt) wie Federsysteme oder Klemmvorrichtungen aufgebracht sein.The force F can be applied by releasable means for generating pressure and fixing the contacting element (not shown) such as spring systems or clamping devices.
In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Halterung der Elemente des Probenhalters
Der Träger
Durch den Mikrowellengenerator
Oberhalb des Trägers
Aufbauend auf eine Anordnung gemäß
In dem Probenhalter
Durch den Mikrowellendetektor
Die Strahlungsquelle
Durch die Wahl der Mikrowellenfrequenz ω der eingekoppelten Mikrowellen können durch den Mikrowellendetektor
Es ist möglich, durch eine Wahl verschiedener Mikrowellenfrequenzen ω eine Grenzfrequenz ωG 1/(εε0ρ) zu ermitteln, für welche die Grenzbedingung 1/ω CH = RH gilt.It is possible to determine a
Bei dieser Grenzfrequenz wird das lock-in Signal um 3 dB im Vergleich zur Messung bei wesentlich niedrigeren Frequenzen abgeschwächt. Wenn die Grenzfrequenz ωG für eine gegebene Probe und Messaufbau technisch nicht erreichbar ist, so kann die Grenzfrequenz durch Extrapolation der bei niedrigeren Frequenzen ermittelten Messdaten der Mikrowellentransmission mit Hilfe eines theoretischen Modells berechnet werden.At this cut-off frequency, the lock-in signal is attenuated by 3 dB compared to measurement at much lower frequencies. If the cut-off frequency ω G is not technically achievable for a given sample and measurement setup, the cut-off frequency can be calculated by extrapolation of the microwave transmission measurement data obtained at lower frequencies using a theoretical model.
Zur genaueren Bestimmung der Auswirkung des Probenhalters
Anschließend wird das die Halbleiterschicht
Bei Einkopplung von Mikrowellen mit der Grenzfrequenz ωG werden dann Vergleichsmesswerte bei unterschiedlicher energetischer Beeinflussung der Halbleiterschicht
Das Messverfahren wurde mit folgenden Parameter implementiert: Messfrequenz 1–2 GHz, Schicht 1,5 μm CuInS2 auf Kupfer als Substrat, periodisch modulierte Lichtquelle war eine LED mit großer spektraler Bandbreite (weiß) oder rot (etwa 640 nm), beide im Absorptionsbereich des Halbleiters der Halbleiterschicht
In der
Von dem Mikrowellengenerator
Die Erfindung kann auf den Gebieten der Messtechnik, der Charakterisierung von Halbleiterschichten, insbesondere bei der Entwicklung und Herstellung sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung von Dünnschichtsolarzellen und der Halbleitertechnik eingesetzt werden.The invention can be used in the fields of measurement technology, the characterization of semiconductor layers, in particular in the development and production as well as the quality control and assurance of thin-film solar cells and semiconductor technology.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Probenhaltersample holder
- 22
- Streifenleitungstripline
- 2.12.1
- erster Abschnittfirst section
- 2.22.2
- zweiter Abschnittsecond part
- 2.32.3
- Plattenelektrodeplate electrode
- 33
- Substratsubstratum
- 44
- HalbleiterschichtSemiconductor layer
- 55
- Abstandshalterspacer
- 66
- Flüssigkeitsschichtliquid layer
- 77
- Trägercarrier
- 7.17.1
- Beschichtungcoating
- 88th
- Kontaktfußcontact foot
- 99
- Strahlungsquelleradiation source
- 1010
- Mikrowellengeneratormicrowave generator
- 1111
- Mikrowellendetektormicrowave detector
- 1212
- Taktgeneratorclock generator
- 1313
- Lock-in-VerstärkerLock-in amplifier
- 1414
- Anzeigedisplay
- CL C L
-
Kapazität (der Flüssigkeitsschicht
6 )Capacity (the liquid layer6 ) - CH C H
-
Kapazität (der Halbleiterschicht
4 )Capacitance (of the semiconductor layer4 ) - RH R H
-
elektrischer Widerstand (der Halbleiterschicht
4 )electrical resistance (of the semiconductor layer4 )
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US5049816A (en) * | 1990-05-31 | 1991-09-17 | Texas Instruments Incorporated | Semiconductor substrate minority carrier lifetime measurements |
-
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5049816A (en) * | 1990-05-31 | 1991-09-17 | Texas Instruments Incorporated | Semiconductor substrate minority carrier lifetime measurements |
Non-Patent Citations (1)
Title |
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M.BROUSSEAU and R.SCHUTTLER: Use of microwave techniques for measuring carrier lifetime and mobility in semiconductors. In: Solid State Electronics, Vol.12, 1969, S.417-423.. * |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
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|
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