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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer in
einer Halbleiterschicht gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Zur
Analyse und Charakterisierung von Halbleitermaterialien und -bauelementen
spielt stets die Ladungsträgerlebensdauer eine zentrale
Rolle. Dies ist insbesondere der Fall im Gebiet der Photovoltaik,
bei der Analyse und Charakterisierung von Solarzellen oder von Vorstufenbauelementen
im Herstellungsprozess einer Solarzelle. Hierbei ist eine möglichst
große Überschussladungsträgerlebensdauer
im Materialvolumen eine notwendige Bedingung für einen
guten Wirkungsgrad der Solarzelle.
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Der
Ausdruck „Überschussladungsträgerlebensdauer” bezieht
sich hierbei und im Folgenden durchweg auf die durchschnittliche,
charakteristische Zeitdauer zwischen Generation und Rekombination der Überschussladungsträger.
Im Niederinjektionsbereich, das heißt für den
Fall, dass die Konzentration der (generierten) Überschussladungsträger
kleiner als die durch die Dotierkonzentration vorgegebene Gleichgewichtladungsträgerkonzentration
ist, entspricht die Überschussladungsträgerlebensdauer
der Minoritätsladungsträgerlebensdauer.
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Zur
Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer
in dem Halbleitermaterial sind verschiedene Apparaturen und Methoden
bekannt, beispielsweise durch Messung des mikrowellendetektierten
Photoleitfähigkeitsabklingen (MWPCD), welches in
US 5,406,214 beschreiben
ist, oder mittels der quasista tischen Photoleitfähigkeitsmethode
(QSSPC), welche in
R. A. Sinton, A. Cuevas und M. Stuckings
in „Quasi-steady-state photoconductance, a new method for
solar cell material and device characterization" in Proceedings
for the 25th IEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington
DC, USA (1996) beschrieben ist. Ein weiteres Beispiel einer bekannten
Methode zur Lebensdauerbestimmung in Halbleitermaterialien ist die „Surface
Photovoltage Method”, welche in (
"Measurement
of Minority Carrier Lifetimes with the Surface Photovoltage" von
E. O. Johnson, Journal of Applied Physics, Volume 28, Number 11,
S. 1349–53) beschrieben ist.
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Ebenso
ist es bekannt, bei Halbleiterstrukturen, die auf einem indirekten
Halbleiter wie beispielsweise Silizium basieren, anhand einer in
der Halbleiterstruktur erzeugten Lumineszenzstrahlung einen Zusammenhang
der Materialqualität der Halbleiterstruktur und der Oberflächeneigenschaften
der Halbleiterstruktur zu bestimmen. Bei bekannten Oberflächeneigenschaften
wie beispielsweise den Rekombinationsgeschwindigkeiten an den Oberflächen
ist es somit möglich, durch Messen der Lumineszenzstrahlung
die Lebensdauer der Überschussladungsträger zu
bestimmen. Typischerweise wird bei der vorbekannten Methode mittels
Messung der Lumineszenzstrahlung der Zusammenhang der Lebensdauer
der Überschussladungsträger und der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
der Vorder- und/oder Rückseite des Halbleiters anhand von
zwei Auswertungen der gemessenen Intensität zur Lumineszenzstrahlung
bestimmt. Der Begriff „Zusammenhang” bedeutet
hierbei und im Folgenden, dass bei einer vorgegebenen Größe
die andere Größe aufgrund des Zusammenhangs bestimmt
werden kann. Die beiden Auswertungen unterscheiden sich in der spektralen
Gewichtung bezüglich der bei der jeweiligen Auswertung
berücksichtigten Lumineszenzstrahlung.
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Typischerweise
wird mittels optischer Filter wie beispielsweise Bandkantenfilter
den Auswertungen jeweils eine Grenzwellenlänge zugeordnet,
so dass bei einer Auswertung im Wesentlichen nur Lumineszenzstrahlung
bis zu der Grenzwellenlänge gemessen und entsprechend ausgewertet
wird. Die spektrale Gewichtung erfolgt somit durch Festlegung der
Grenzwellenlänge.
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Die
Grenzwellenlängen für die beiden Auswertungen
werden verschieden gewählt, so dass durch einen Vergleich
der beiden Auswertungen wie beispielsweise einer Quotientenbildung
der jeweils gemessenen Lumineszenzintensitäten der Zusammenhang
zwischen Lebensdauer der Überschussladungsträger
und der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit bestimmt
werden kann, so dass bei Vorgabe einer der beiden Größen
die andere Größe bestimmbar ist.
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Ein
solches Verfahren ist beispielsweise in
Würfel,
P. et al, „Diffusions lengths of silicon solar cells from
luminescence images", Journal of Applied Physics, 2007.
101 (123110); S. 1–10 beschrieben. Weiterhin ist
solch ein Verfahren in
WO
2008/014537 A1 offenbart.
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Weiterhin
ist in Trupke, T. et al, „Effective carrier lifetimes
exceeding 100 milliseconds in float zone silicon determined from
photoluminescence", 19th EPVSC, 2004; die Bestimmung
der Überschussladungsträgerdichte abhängig
von der Intensität gemessener Lumineszenzstrahlung und
hieraus die Bestimmung einer Lebensdauer der Überschussladungsträger
beschrieben (Abschnitte 2.1 und 3). In dieser Veröffentlichung
wird die Bestimmung der „effektiven” Lebensdauer
beschrieben, welche sowohl die Rekombinationseigenschaften des Halbleitermaterials
als auch der Oberflächen des Halbleitermaterials umfasst.
Ist eine dieser Größen bekannt, so kann aus der
effektiven Lebensdauer die andere Größe bestimmt
werden. Insbesondere kann bei bekannter Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit
des Halbleitermaterials aus der effektiven Lebensdauer der Überschussladungsträger
die Lebensdauer der Überschussladungsträger des
Halbleitermaterials bestimmt werden.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
das bekannte Messverfahren, durch Auswertung der Lumineszenzstrahlung
die Überschussladungsträgerlebensdauer zu bestimmen,
zu vereinfachen und den Anwendungsbereich zu vergrößern.
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Gelöst
ist diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer
in einer Halbleiterschicht gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
finden sich in Ansprüchen 2 bis 8.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer in
einer Halbleiterschicht umfasst somit folgende Verfahrensschritte:
In
einem Verfahrensschritt A wird die Halbleiterschicht mit einer Anregungsstrahlung
zum Erzeugen von Lumineszenzstrahlung in der Halbleiterschicht beaufschlagt.
Bei der Lumineszenzstrahlung handelt es sich somit um so genannte
Photolumineszenzstrahlung.
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In
einem Verfahrensschritt B wird die Intensität der Lumineszenzstrahlung
der Halbleiterschicht mittels eines Detektors gemessen.
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Auch
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens
zwei Auswertungen mit unterschiedlichen Messbedingungen vorgenommen,
sodass anhand der beiden Auswertungen die Überschussladungsträgerlebensdauer,
wie im Stand der Technik bekannt, bestimmt werden kann.
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Wesentlich
ist, dass im Gegensatz zum Stand der Technik die unterschiedlichen
Messbedingungen nicht durch Vorgabe zweier Spektralbereiche bei
der Auswertung der Lumineszenzstrahlung sondern auf folgende Weise
realisiert werden:
Die Verfahrensschritte A und B werden an
einer ersten Messprobe, umfassend eine erste Halbleiterschicht mit
einer ersten Schichtdicke D1 zur Messung einer
ersten Lumineszenzintensität IM1 und
zusätzlich mindestens an einer zweiten Messprobe, umfassend eine
zweite Halbleiterschicht mit einer zweiten Schichtdicke D2 zur Messung einer zweiten Lumineszenzintensität
IM2 durchgeführt.
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Die
Schichtdicken D1 und D2 sind
unterschiedlich, die erste und die zweite Halbleiterschicht weisen
jedoch im Wesentlichen gleiche Überschussladungsträgerlebensdauern
und die gleichen Rebkombinationseigenschaften an den jeweiligen
Oberflächen der Halbleiterschichten auf.
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Die
erste Messprobe und die zweite Messprobe sind somit hinsichtlich
ihrer bei der Messung der Lumineszenzstrahlung entscheidenden elektrischen
Eigenschaften gleich, lediglich die Schichtdicken der jeweiligen
Halbleiterschichten unterscheiden sich zwischen erster und zweiter
Messprobe.
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Anschließend
wird aufgrund der an der ersten Messprobe und an der zweiten Messprobe
gemessenen Intensitäten der Lumineszenzstrahlung die Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschichten bestimmt.
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Das
erfindungsgemäßen Verfahren verwendet zwar wie
auch die vorbekannten Vorgehensweise der Lumineszenz-Methode zwei
Messungen der Lumineszenzintensität unter verschiedenen
Messbedingungen, es unterscheidet sich jedoch grundsätzlich
dadurch von diesem Verfahren, dass die unterschiedlichen spektralen
Gewichtungen durch Verwendung zweier Messproben mit Halbleiterschichten mit
unterschiedlichen Dicken ersetzt sind.
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Es
liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, zusätzlich zu
der Variation der Schichtdicken bei den beiden Messproben auch die
spektrale Gewichtung der Anregungsstrahlung bei der Messung der
ersten Messprobe unterschiedlich zu der Messung der zweiten Messprobe
zu wählen. In diesem Fall muss bei dem Vergleich mit dem
theoretischen Modell die für die jeweilige Schichtdicke
verwendete spektrale Gewichtung der Anregungsstrahlung berücksichtigt
werden.
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Hieraus
ergibt sich auch eine weitere Abweichung bei der Auswertung der
gemessenen Lumineszenzstrahlung zu dem vorbekannten Verfahren:
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein theoretisches
Modell für die erste und für die zweite Messprobe
bestimmt, zur Berechnung der Lumineszenzintensität der
in der ersten und in der zweiten Messprobe erzeugten Lumineszenzstrahlung.
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Durch
ein Vergleich des theoretischen Modells mit den gemessenen Lumineszenzintensitäten wird
bei Vorgabe weiterer physikalischer Parameter, wie beispielsweise
der Schichtdicken D1 und D2 sowie
der Rekombinationseigenschaf ten an den jeweiligen Oberflächen
der Halbleiterschichten die Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschichten bestimmt.
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Hierbei
ist anzumerken, dass bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Halbleiterschichten beider Messproben gleiche Überschussladungsträgerlebensdauern
aufweisen. Im Folgenden wird daher der Einfachheit halber der Begriff „Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschicht” für beide Halbleiterschichten
verwendet.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschicht folgende Verfahrensschritte:
In einem
Verfahrensschritt I. wird ein Quotient QM = IM,1/IM,2 der beiden
gemessenen Lumineszenzintensitäten bestimmt.
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In
einem Verfahrensschritt II. wird wie zuvor beschrieben ein erstes
theoretisches Modell für die Lumineszenzintensität
der ersten und der zweiten Halbleiterschicht erstellt, abhängig
von vorgegebenen physikalischen Parametern, welche die Dotierungsart
und Dotierungsdichte der Halbleiterschichten, die Rekombinationseigenschaften
der Oberflächen der Halbleiterschichten sowie die Intensität
und das Spektrum der Anregungsstrahlung umfassen.
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In
einem Verfahrensschritt III. wird ein Quotient QT =
IT,1/IT,2 der mittels
des theoretischen Modells berechneten Intensität IT,1 der Lumineszenzstrahlung ersten Halbleiterschicht
der Dicke D1 und der Intensität
IT,2 der Lumineszenzstrahlung der zweiten
Halbleiterschicht der Dicke D2 berechnet.
Der Wert des Quotienten QT hängt
somit wesentlich von der für das theoretische Modell vorgegebenen Überschussladungsträgerlebensdauer
ab. Es ist somit möglich, durch Variation der Überschussladungsträgerlebensdauer
bei dem theoretischen Modell den Quotienten QT an
den aus den Messungen ermittelten Quotienten QM anzugleichen
und hierdurch die Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschichten der beiden Messproben zu bestimmen.
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Bei
Angleichen der Quotienten QT und QM sind übliche Verfahren anwendbar.
So liegt es beispielsweise im Rahmen der Erfindung, mittels des theoretischen Modells
eine Eichkurve zu bestimmen, welche den Quotienten QT in
Abhängigkeit der Überschussladungsträgerlebensdauer
der Halbleiterschichten wiedergibt. Der aus den Messergebnissen resultierende
Quotient QM kann somit mittels der Eichkurve
direkt einer Überschussladungsträgerlebensdauer
zugeordnet werden.
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Ebenso
liegen andere Vorgehensweisen im Rahmen der Erfindung, wie beispielsweise
iterative Verfahren unter Variation der Überschussladungsträgerlebensdauer
zur Angleichung des Quotienten QT an die
Zielgröße QM.
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Theoretische
Modelle zur Berechnung der Lumineszenzstrahlung bei vorgegebenen
physikalischen Parametern der Halbleiterstruktur sowie Intensität
und Spektrum der Anregungsstrahlung sind bekannt und beispielsweise
in
WO 2008/014537
A1 , Seite 20, Zeile 21 bis Seite 29, Zeile 28 beschrieben. Diese
Textpassage wird explizit per Referenz in diese Beschreibung eingebunden.
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Ebenso
liegt es im Rahmen der Erfindung, numerische oder teilweise numerische
theoretische Modelle zu verwenden. Zur Simulation der physikalischen
Eigenschaften von Solarzellen ist es beispielsweise bekannt, eine
eindimensionale Simulation mittels des Simulationsprogramms PC1D (D.
A. Clugston and P. A. Basore, PC1D version 5: 32-bit solar cell
modeling an personal computers, Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaic
Specialists Conference, Anaheim, California, USA, 207–10(1997)) vorzunehmen.
Hier können Dotierung, Dotierart, Oberflächenrekombinationseigenschaften
sowie Art der Generation, d. h. Spektrum und Intensität
der Anregungsstrahlung sowie optische Eigenschaften der mit der
Anregungsstrahlung beaufschlagten Seiten der Halbleiterstruktur
vorgegeben werden und aus dem Simulationsprogramm kann die Größe
der strahlenden Rekombination und damit auch die Intensität
der Lumineszenzstrahlung extrahiert werden. Die Verwendung eines
solchen Simulationsprogramms eignet sich insbesondere zur Erstellung
einer Eichkurve wie vorhergehend beschrieben.
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Wesentlich
bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass
die erste und die zweite Messprobe hinsichtlich der für
die Intensität der abgestrahlten Lumines zenzstrahlung relevanten
physikalischen Parameter gleich sind und sich lediglich hinsichtlich der
Dicke der jeweiligen Halbleiterschicht unterscheiden.
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Hierzu
ist es möglich, zwei separate Proben möglichst
unter gleichen Prozessbedingungen herzustellen. Ebenso liegt es
im Rahmen der Erfindung, lediglich eine Messprobe zu verwenden und
nach einer ersten Messung einen Teil der Halbleiterschicht abzutragen
und hierdurch die Schichtdicke zu verringern. In diesem Fall wird
somit die zweite Messung an der Halbleiterschicht mit Schichtdicke
D2 vor der ersten Messung an der Halbleiterschichtendicke
D1 ausgeführt.
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Vorteilhafterweise
ist die Dicke D2 mindestens um einen Faktor
1,5, vorzugsweise um einen Faktor 2 größer als
die Dicke D1.
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Untersuchungen
der Anmelderin haben ergeben, dass insbesondere zur Charakterisierung
von Dünnschichtsolarzellen auf Siliziumbasis es vorteilhaft
ist, dass die Dicke D1 in etwa 20 μm
beträgt und die Dicke D2 in etwa
50 μm.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anregungsstrahlung
monochromatisch, vorzugsweise durch einen Laser erzeugt. Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Wellenlänge etwa 810 nm beträgt,
da Untersuchungen der Anmelderin ergeben haben, dass für
diese Wellenlänge eine für Silizium bei dieser
Messart vorteilhafte Eindringtiefe der Anregungsstrahlung in die
Halbleiterschicht erzielt wird.
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Eine
Erhöhung der Genauigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird durch Verwendung von Messungen an mehr als zwei
Schichtdicken erzielt:
Vorteilhafterweise werden die Verfahrensschritte
A und B mit zusätzlich mindestens an einer dritten Messprobe,
umfassend eine dritte Halbleiterschicht mit einer dritten Schichtdicke
D3 zur Messung einer dritten Lumineszenzintensität
IM,3 durchgeführt. Die Schichtdicke
D3 ist zu den Schichtdicken D1 und
D2 unterschiedlich und die erste, zweite
und dritte Halbleiterschicht weisen im wesentlichen gleiche Überschussladungsträgerlebensdauern
und die gleichen Re kombinationseigenschaften an den jeweiligen Oberflächen
der Halbleiterschichten auf.
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Die Überschussladungsträgerlebensdauer der
Halbleiterschichten wird durch Mittelung auf den Auswertungen der
drei gemessenen Lumineszenzintensitäten IM,1,
IM,2 und IM,3 bestimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist wie auch das bekannte
Lumineszenz-Messverfahren zur Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer
in einem Ein-Schicht-System verwendbar, beispielsweise zur Bestimmung
der Überschussladungsträgerlebensdauer in einem
Siliziumwafer zur Herstellung einer Solarzelle.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren weist jedoch insbesondere
den Vorteil auf, dass es auch bei Mehrschichtsystemen zur Bestimmung
der Überschussladungsträgerlebensdauer einer Halbleiterschicht
verwendbar ist, selbst dann, wenn das Mehrschichtsystem mehrere
Halbleiterschichten umfasst. Wesentlich ist, dass die Messungen
wie zuvor vorgenommen werden, wobei lediglich die Dicke derjenigen
Halbleiterschicht, deren Überschussladungsträgerlebensdauer
bestimmt werden soll, zwischen den beiden Messproben variiert. Bei
solchen Mehrschichtsystemen ist beispielsweise die vorbekannte Lumineszenz-Methode
nicht anwendbar.
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Vorteilhafterweise
ist die Halbleiterschicht daher Teil eines Mehrschichtsystems, welches
zusätzlich zu der Halbleiterschicht mindestens eine Trägerschicht
umfasst, wobei die Halbleiterschichten der ersten Messprobe und
der zweiten Messprobe im wesentlichen gleiche Überschussladungsträgerlebensdauern
und gleiche Oberflächenrekombinationseigenschaften an den
jeweiligen Oberflächen aufweisen. Die Trägerschichten
der ersten und der zweiten Messprobe weisen ebenfalls in etwa gleiche Überschussladungsträgerlebensdauern
und gleiche Oberflächenrekombinationseigenschaften an den
jeweiligen Oberflächen auf.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals
möglich, mittels Messung der abgestrahlten Photolumineszenzstrahlung
die Überschussla dungsträgerlebensdauer einer Schicht
in einem Mehrschichtsystem zu bestimmen.
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Zur
Erhöhung der Messgenauigkeit ist es vorteilhaft, dass die
Trägerschichten der ersten und zweiten Messprobe jeweils
hochdotiert sind, insbesondere eine Dotierkonzentration größer
gleich 2 × 1018 cm–3 aufweisen.
Hierdurch ist der Anteil der Trägerschicht an der Gesamtlumineszenzstrahlung
gering, so dass eine genaue Bestimmung der Überschussladungsträgerlebensdauer
möglich ist.
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Weitere
Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen werden im Folgenden anhand
eines Ausführungsbeispiels und der Figur beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Durchführung
eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäße
Verfahrens:
Dargestellt ist eine erste Messprobe 1,
welche eine als Siliziumsubstrat 2 ausgeführte
Trägerschicht und eine aus Silizium bestehende epitaktische
Schicht 3, welche die Halbleiterschicht darstellt, umfasst.
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Die
Messprobe 1 stellt somit ein Mehrschichtsystem dar. Beide
Schichten sind p-dotiert, wobei das Siliziumsubstrat 2 eine
Dotierung von 2 × 1018 cm–3 und die epitaktische Schicht 3 eine
Dotierung von 2 × 1016 cm–3 aufweist. Über der ersten
Messprobe ist eine Strahlungsquelle angeordnet, welche als Laser 4 ausgeführt
ist. Ebenso ist die Verwendung anderer Strahlungsquellen, wie beispielsweise LED-Strahlungsquellen
möglich.
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Der
Laser 4 erzeugt eine monochromatische Strahlung mit einer
Wellenlänge von 810 nm und weist ein (nicht dargestelltes)
Linsensystem auf, mittels dessen die vom Laser 4 erzeugte
Anregungsstrahlung ganzflächig und im wesentlichen homogen auf
die in 1 oben dargestellte, senkrecht zur Zeichenebene
stehende Vorderseite der epitaktischen Schicht abgebildet wird.
Es wird somit sowohl die epitaktische Schicht 3 als auch
das Siliziumsubstrat 2 mit der Anregungsstrahlung des Lasers 4 beaufschlagt
(Verfahrensschritt A).
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Unterhalb
der Messprobe 1 ist ein Detektor angeordnet, welcher als
CCD-Kamera 5 ausgebildet ist.
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Die
Verwendung solcher CCD-Kameras und entsprechender Computer zur Steuerung
und Auswertung der Messsignale der CCD-Kamera ist grundsätzlich
bekannt und beispielsweise in Würfel, P. et al,
a. a. O., beschrieben. Die CCD-Kamera 5 umfasst ein
CCD-Chip, der ein quadratisches Raster von Pixeln aufweist und ein
entsprechendes Objektiv, so dass die von der in 1 unten
liegenden Rückseite des Substrates 2 abgestrahlte
Photolumineszenzstrahlung ortsaufgelöst von der CCD-Kamera 5 vermessen
wird, d. h. jedem Pixel des CCD-Chips ist mittels des Objektivs
ein Ortspunkt auf der Rückseite des Siliziumsubstrates 2 zugeordnet
und entsprechend ist eine ortsaufgelöste Messung, ein sogenanntes „mapping” der
Intensität der von der Rückseite des Siliziumsubstrates 2 abgestrahlten
Lumineszenzstrahlung möglich.
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Ebenso
liegt die Verwendung eines Detektors, der die abgestrahlte Photolumineszenzstrahlung
lediglich an einem Ortspunkt misst oder die Verwendung eines Detektors,
der die abgestrahlte Photolumineszenzstrahlung über einen
Flächenbereich gemittelt misst, im Rahmen der Erfindung.
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In 1 ist
lediglich die erste Messprobe 1 dargestellt, wobei die
Dicke der epiktaktischen Schicht 3 etwa 20 μm
beträgt.
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Auf
einem identischen Siliziumsubstrat ist mit einem identischen Prozess
eine weitere epitaktische Schicht aufgebracht, jedoch mit einer
Dicke von 50 μm. Dieses zweite Mehrschichtsystem stellt
die zweite Messprobe dar.
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In
einem ersten Schritt wird nun mittels der in 1 dargestellten
Messvorrichtung die Messprobe 1 mittels des Lasers 4 mit
Anregungsstrahlung der Wellenlänge 810 nm beaufschlagt.
Die Anregungsstrahlung wird teilweise in der epitaktischen Schicht 3 und
teilweise in dem Siliziumsubstrat 2 absorbiert, so dass
einerseits Elektron-Lochpaare generiert werden und andererseits
bei der Rekombination der generierten Elektron-Lochpaare unter anderem
Lumineszenzstrahlung erzeugt wird. Es wird somit sowohl in der epitaktischen
Schicht 3, als auch im Siliziumsubstrat 2 Lumineszenzstrahlung
erzeugt (Verfahrensschritt A).
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Die
von der Rückseite der Messprobe 1 (in der Darstellung 1 die
untere Seite) abgestrahlte Lumineszenzstrahlung wird ortsaufgelöst
mittels der CCD-Kamera 5 gemessen.
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Durch
die Anordnung des Lasers 4 auf der einen Seite der Messprobe
und der CCD-Kamera 5 auf der gegenüberliegenden
Seite der Messprobe wirkt die Messprobe 1 als Filter gegenüber
der Anregungsstrahlung, so dass die Messung der Lumineszenzstrahlung
mittels der CCD-Kamera 5 nicht durch die Anregungsstrahlung
verfälscht wird.
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Ebenso
wäre es möglich, den Laser 4 und den
Detektor auf der gleichen Seite der Messprobe anzuordnen. In diesem
Fall müsste jedoch mittels Langpassfiltern, welche im Strahlengang
zwischen der Messprobe und der CCD-Kamera angeordnet sind, die gegebenenfalls
an der Messprobe reflektierte Anregungsstrahlung unterdrückt
werden, so dass keine oder nur eine geringe Intensität
der Anregungsstrahlung in die CCD-Kamera eintritt.
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Mit
einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit, wie beispielsweise
einem Computer werden die Messsignale der CCD-Kamera 5 ausgelesen,
so dass ortsaufgelöst eine Information über die
Intensität der Lumineszenzstrahlung vorliegt. Aufgrund
der Quotientenbildung bei der späteren Auswertung ist es
hierbei nicht nötig, die Intensität in normierten
Größen zu messen, es genügt, dass aus
den Messsignalen der CCD-Kamera 5 eine mit der Intensität
der Lumineszenzstrahlung korrelierende Größe ermittelt werden
kann. Eine Normierung ist nicht notwendig.
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Für
jeden Ortspunkt der Messprobe 1, dem ein Pixel der CCD-Kamera 5 zugeordnet
ist, wird somit eine erste Lumineszenzintensität IM,1 gemessen.
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Der
gleiche Messvorgang wird anschließend bei einer zweiten
Messprobe wiederholt. Hierbei werden gleiche Messbedingungen verwendet,
insbesondere wird die zweite Messprobe an einem identischen Messort
bei der Messung angeordnet und weitere Messparameter, wie beispielsweise
Intensität der Anregungsstrahlung oder apparative Parameter der
CCD-Kamera 5, wie beispielsweise Integrationszeit bei der
Auswertung der Messsignale der einzelnen Pixel werden identisch
zur ersten Messung gewählt. In diesem zweiten Schritt wird somit
ebenfalls ortsaufgelöst für jeden Ortspunkt, dem
ein Pixel zugeordnet ist, eine zweite Lumineszenzintensität
IM,2 gemessen.
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Mittels
des Simulationsprogramms PC1D wurde ein theoretisches Modell für
die erste Messprobe und für die zweite Messprobe erstellt.
Wesentliche Parameter bei Erstellung dieses Modells sind dabei die
Schichtdicken des Siliziumsubstrates sowie der jeweiligen epitaktischen
Schichten, die Dotierungen der jeweiligen Schichten, die Intensität
und die Wellenlänge der Anregungsstrahlung sowie Annahmen über
die optischen Eigenschaften der Vorderseite der epitaktischen Schichten,
um eine möglichst realistische Berechnung der Einkopplung
der Anregungsstrahlung in die Messprobe zu simulieren.
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Anschließend
wurden für beide Messproben Simulationen durchgeführt
und die strahlende Rekombination jeweils in den epitaktischen Schichten ermittelt,
hieraus die Intensität der Lumineszenzstrahlung berechnet
und zur Bestimmung des Quotienten QT wurde
die Intensität der bei der Simulation der epitaktischen
Schicht mit 20 μm Dicke ermittelten Lumineszenzstrahlung
geteilt durch die bei der Simulation ermittelte Intensität
der Lumineszenzstrahlung der epitaktischen Schicht mit 50 μm
Dicke.
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Der
Zusammenhang zwischen der gemessenen Intensität der Lumineszenzstrahlung
IM und der simulierten strahlenden Rekombination
ist folgendermaßen: IM =
a·Urad = a·∫[B·n(x)·p(x)]dx,wobei
Urad die Rate der strahlenden Rekombination, B
den Koeffizient der strahlenden Rekombination, n(x) und p(x) die
ortsabhängigen Elektron- bzw. Löcherkonzentrationen
und a einen a priori unbekannten Kalibrierungsfaktor bezeichnen,
der optische und geometrische Eigenschaften der untersuchten Probe beinhaltet.
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Im
nächsten Schritt vergleicht man die Verhältnisse
der gemessenen Lumineszenzintensitäten mit den dazugehörigen
Simulationswerten, also: IM,2/IM,1 = a2·∫[B2·n2(x)·p2(x)]dx/{a1·∫[B1·n1(x)·p1(x)]dx}.
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Der
entscheidende Punkt ist, dass a2 = a1, da bei der Probenauswahl darauf geachtet
wurde, dass sich die beiden untersuchten Proben in nichts anderem
unterscheiden als der Dicke der elektrisch aktiven Schicht und somit
insbesondere in den geometrischen und optischen Eigenschaften, die
den Kalibrierungsfaktor a ausmachen, übereinstimmen. Dieser Kalibrierungsfaktor
a kürzt sich somit heraus und man erhält direkt
aus den theoretisch durchgeführten Simulationen den Quotienten
QT, welchen man durch Variation der angenommenen Überschussladungsträgerlebensdauer
so angleicht, dass er dem gemessenen der Quotient QM entspricht.
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Ebenso
kann Quotient QT für eine Vielzahl von
Lebensdauern der beiden epitaktischen Schichten ermittelt werden,
so dass eine Eichkurve vorliegt, welche den Quotienten QT in Abhängigkeit der Überschussladungsträgerlebensdauern
der epitaktischen Schichten wiedergibt.
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Aus
den gemessenen Intensitäten der Lumineszenzstrahlung bei
der ersten Messprobe und der zweiten Messprobe wird ein Quotient
QM gebildet, in dem die gemessene Lumineszenzintensität
der ersten Messprobe, bei der die epitaktische Schicht eine Dicke
von 20 μm besitzt, durch die gemessene Lumineszenzintensität
der zweiten Messprobe, bei der die epitaktische Schicht eine Dicke
von 50 μm besitzt, geteilt wird. Aufgrund der ortsaufgelösten
Messung kann für jeden Ortspunkt, dem ein Pixel der Kamera zugeordnet
ist, ein Quotient QM bestimmt werden.
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Nun
wird auf der Eichkurve derjenige Punkt bestimmt, der dem aus den
Messwerten ermittelten Quotienten QM entspricht.
Die auf der Eichkurve zugehörige Überschussladungsträgerlebensdauer
entspricht der tatsächlich in den realen Messproben in der
epitaktischen Schicht vorhandenen Überschussladungsträgerlebensdauer.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist es somit
erstmals möglich, in Mehrschichtsystemen mittels Messung
der Photolumineszenzstrahlung die Überschussladungsträgerlebensdauer
in einer Halbleiterschicht des Mehrschichtsystems zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5406214 [0004]
- - WO 2008/014537 A1 [0008, 0029]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - R. A. Sinton,
A. Cuevas und M. Stuckings in „Quasi-steady-state photoconductance,
a new method for solar cell material and device characterization” in
Proceedings for the 25th IEE Photovoltaic Specialists Conference,
Washington DC, USA (1996) [0004]
- - ”Measurement of Minority Carrier Lifetimes with the
Surface Photovoltage” von E. O. Johnson, Journal of Applied
Physics, Volume 28, Number 11, S. 1349–53 [0004]
- - Würfel, P. et al, „Diffusions lengths of
silicon solar cells from luminescence images”, Journal
of Applied Physics, 2007. 101 (123110); S. 1–10 [0008]
- - Trupke, T. et al, „Effective carrier lifetimes exceeding
100 milliseconds in float zone silicon determined from photoluminescence”,
19th EPVSC, 2004 [0009]
- - (D. A. Clugston and P. A. Basore, PC1D version 5: 32-bit solar
cell modeling an personal computers, Proceedings of the 26th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, Anaheim, California, USA, 207–10(1997) [0030]
- - Würfel, P. et al, a. a. O. [0048]