Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Charakterisierung eines Halbleiter-Materials.The invention relates to a device and a method for non-contact characterization of a semiconductor material.
Bisher eingesetzte Verfahren zur Bestimmung des Leitungstyps von Halbleiter-Material verwenden Mehrpunkt- oder thermoelektrische Sonden, welche in Kontakt mit der Oberfläche des zu untersuchenden Halbleiter-Materials gebracht werden. Dies führt notwendigerweise zu einer Kontaminierung der Oberfläche des Halbleiter-Materials mit dem Elektrodenmaterial. Außerdem ist eine große Mindestfläche zur Applikation der Sonde nötig. Messungen an Granulat und Pulver sind daher nicht möglich.Previously used methods for determining the conductivity type of semiconductor material use multipoint or thermoelectric probes which are brought into contact with the surface of the semiconductor material to be examined. This necessarily leads to contamination of the surface of the semiconductor material with the electrode material. In addition, a large minimum surface area for application of the probe is necessary. Measurements on granules and powder are therefore not possible.
Bei den bisher bekannten Verfahren werden zur Anregung des Halbleiter-Materials üblicherweise Laser oder Gasentladungslampen verwendet. Derartige Strahlungsquellen sind teuer und empfindlich. Außerdem werden spezielle Arbeitsschutzmittel bei ihrer Verwendung benötigt.In the previously known methods, lasers or gas discharge lamps are usually used to excite the semiconductor material. Such radiation sources are expensive and sensitive. In addition, special occupational safety products are needed in their use.
Eine Test-Vorrichtung für Solarzellen ist aus der US 2003/0059966 A1 bekannt.A test device for solar cells is from the US 2003/0059966 A1 known.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur einfacheren Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiter-Materials zu schaffen.The object of the invention is thus to provide an apparatus and a method for simplifying the characterization of the electrical properties of a semiconductor material.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 10 gelöst.This object is solved by the subject matter of claims 1 and 10.
Die untergeordneten Ansprüche beziehen sich auf besondere Ausführungsarten der Erfindung.The subordinate claims relate to particular embodiments of the invention.
Der Kern der Erfindung besteht darin, mittels geeigneter Anregungs-Mittel freie Ladungsträger in einem Halbleiter-Material zu erzeugen und die dadurch hervorgerufene elektrische Oberflächenspannung mittels zweier kapazitiv an das Halbleiter-Material gekoppelten Mess-Elektroden berührungslos zu messen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf einfache Weise herstellbar, sie ist sehr robust und ermöglicht eine kontaminationsfreie Untersuchung eines beliebigen Halbleiter-Materials. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach durchführbar. Es ermöglicht ein weites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten vom einfachen Handtester bis hin zur ortsaufgelösten Oberflächenanalytik.The core of the invention is to generate by means of suitable excitation means free charge carriers in a semiconductor material and to measure the electrical surface tension caused thereby by means of two capacitively coupled to the semiconductor material measuring electrodes in a non-contact manner. The inventive device can be produced in a simple manner, it is very robust and allows a contamination-free examination of any semiconductor material. Accordingly, the inventive method is very easy to carry out. It allows a wide range of applications, from simple handheld testers to spatially resolved surface analysis.
Durch eine elektromagnetische Abschirmung der Anregungs-Mittel von den Mess-Elektroden wird eine kapazitive Kopplung zwischen diesen verringert. Hierdurch werden Messartefakte verringert. Eine aufwändige elektromagnetische Abschirmung der Vorrichtung bei der Durchführung des Verfahrens erübrigt sich. Vorzugsweise sind als Anregungs-Mittel Paare von Leuchtdioden (LEDs) vorgesehen, wobei insbesondere mehrere Paare LEDs mit unterschiedlichen Emissions-Spektren vorgesehen sind. LEDs eignen sich besonders gut zur kontrollierten Anregung von Halbleiter-Material, da sie aber einen eng begrenzten Spektralbereich Licht emittieren, sehr günstig sind und der gesamte Spektralbereich von Infrarot (IR) bis Ultraviolett (UV) durch sie abgedeckt werden kann.An electromagnetic shielding of the excitation means from the measuring electrodes reduces a capacitive coupling between them. This reduces measurement artifacts. A complex electromagnetic shielding of the device when carrying out the method is unnecessary. Preferably, as excitation means pairs of light-emitting diodes (LEDs) are provided, wherein in particular a plurality of pairs of LEDs with different emission spectra are provided. LEDs are particularly well-suited for controlled excitation of semiconductor material, as they emit light in a narrow spectral range, are very cheap, and cover the entire spectral range from infrared (IR) to ultraviolet (UV).
Die LEDs jedes Paares sind vorzugsweise von einer Steuer-Einrichtung alternierend ansteuerbar. Hierbei liegt die Frequenz der Ansteuerung im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz. Sie ist insbesondere zur Anpassung an die mittlere Lebensdauer der erzeugten Minoritätsladungsträger regulierbar. Hierdurch kann die Qualität der Mess-Signale, insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis, optimiert werden.The LEDs of each pair are preferably controlled by a control device alternately. Here, the frequency of the control is in the range of 1 kHz to 100 MHz. It is adjustable in particular for adaptation to the average life of the generated minority carriers. As a result, the quality of the measurement signals, in particular the signal-to-noise ratio, can be optimized.
Auch die Zuordnung jeweils einer Blind-LED zu jeder der LEDs dient der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, indem hierdurch eine Kompensation einer differenziellen Ladungsinjektion in den Mess-Elektroden bewirkt wird.The assignment in each case of a blind LED to each of the LEDs also serves to improve the signal-to-noise ratio, as a result of which a compensation of a differential charge injection in the measuring electrodes is effected.
Zur Verstärkung der Mess-Signale dient vorzugsweise ein symmetrischer Differenzverstärker. Hierdurch lässt sich der Einfluss äußerer elektromagnetischer Felder auf den Messaufbau erheblich reduzieren. Auf spezielle Abschirmmaßnahmen und zeitintensive Störunterdrückungen kann daher verzichtet werden.To amplify the measurement signals is preferably a balanced differential amplifier. This significantly reduces the influence of external electromagnetic fields on the test setup. Special shielding measures and time-consuming interference suppression can therefore be dispensed with.
Durch eine geeignete Anordnung der Mess-Elektroden relativ zur Probe lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren für verschiedene Mess- und Kontrollaufgaben, wie Leitungstypbestimmung, Kontrolle auf Metallisierungsreste und Ätzabtrag bei der Zellaufarbeitung einsetzen.By means of a suitable arrangement of the measuring electrodes relative to the sample, the device according to the invention and the method according to the invention can be used for various measuring and control tasks, such as conductivity type determination, checking for metallization residues and etching removal during cell workup.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:Further advantages and details of the invention will become apparent from the description of several embodiments with reference to the drawings. Show it:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 a schematic representation of the device according to the invention,
2 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Anordnung der Anregungs-Mittel und der Mess-Elektroden bezüglich der zu untersuchenden Halbleiter-Probe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 a schematic perspective view of an arrangement of the excitation means and the measuring electrodes with respect to the semiconductor sample to be examined according to a first embodiment of the invention,
3 eine Darstellung gemäß 2 eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, 3 a representation according to 2 a further embodiment of the invention,
4 eine Ansicht gemäß 2 eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung und 4 a view according to 2 a third embodiment of the invention and
5 einen Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß 4. 5 a cross section through the embodiment according to 4 ,
Eine Vorrichtung zur berührungslosen Charakterisierung eines Halbleiter-Materials 1 umfasst mindestens eine Leuchtdiode (LED) 2, insbesondere mindestens zwei LED 2, 2', zur Erzeugung von zusätzlichen freien Ladungsträgern in dem Halbleiter-Material 1, eine Steuer-Einrichtung 3 zur Steuerung der Leuchtdiode 2, zwei Mess-Elektroden 4, 5 und eine Signal-Konditionierungs-Einrichtung 6, welche in elektrischer Verbindung mit den Mess-Elektroden 4, 5 steht.A device for non-contact characterization of a semiconductor material 1 includes at least one light emitting diode (LED) 2 , in particular at least two LEDs 2 . 2 ' for generating additional free charge carriers in the semiconductor material 1 , a control device 3 for controlling the light emitting diode 2 , two measuring electrodes 4 . 5 and a signal conditioner 6 , which in electrical connection with the measuring electrodes 4 . 5 stands.
Außerdem umfasst die Vorrichtung ein Metall-Gitter 7. Das Metall-Gitter 7 ist geerdet und dient der elektromagnetischen Abschirmung der Leuchtdioden 2, 2' von den Mess-Elektroden 4, 5. Die Mess-Elektroden 4, 5 sind flächig ausgebildet. Sie sind nebeneinander, koplanar angeordnet. Eine alternative Geometrie der Mess-Elektroden 4, 5 ist jedoch ebenfalls möglich. Die geometrische Ausbildung der Mess-Elektroden 4, 5 ist insbesondere an die Ausdehnung der mittels der Leuchtdioden 2, 2'' auf dem Halbleiter-Material 1 beleuchtbaren Bereiche angepasst. Vorzugsweise sind die Mess-Elektroden 4, 5 zumindest bereichsweise lichtdurchlässig ausgebildet. Sie können insbesondere aus einem transparenten Material sein. Die Mess-Elektroden 4, 5 sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie die von den Leuchtdioden 2, 2' ausgesandte Strahlung ungehindert zum Halbleiter-Material 1 passieren lassen. Die Mess-Elektroden 4, 5 können insbesondere als Gitter-, Linien- und/oder Hairpin-Strukturen aus Draht oder als gedruckte Schaltung, insbesondere auf einem transparenten Träger, ausgebildet sein. Unter den erfindungsgemäß eingesetzten Elektroden befinden sich Draht-Elektroden, insbesondere aus PU-beschichtetem Kupfer mit einer Gesamtlänge von höchstens 10 mm und einem Durchmesser von 0,2 mm. Es wurden jedoch auch flächige Elektroden aus Epoxidharz mit einer 20 bis 50 μm dicken Kupferauflage verwendet. Deren seitliche Abmessungen lagen im Bereich zwischen 1 cm und 5 cm. Die Kapazität der Mess-Elektroden 4, 5 liegt bei den Drahtelektroden deutlich unter 0,1 pF. Bei den flächigen Elektroden betragen die Werte der parasitären Kapazitäten rechnerisch bis zu 100 pF. Vorteilhafterweise wird die Kapazität der Mess-Elektroden 4, 5 möglichst klein gehalten.In addition, the device comprises a metal grid 7 , The metal grid 7 is grounded and serves the electromagnetic shielding of the LEDs 2 . 2 ' from the measuring electrodes 4 . 5 , The measuring electrodes 4 . 5 are designed flat. They are arranged side by side, coplanar. An alternative geometry of the measuring electrodes 4 . 5 However, it is also possible. The geometric design of the measuring electrodes 4 . 5 is particularly due to the extent of the light emitting diodes 2 . 2 '' on the semiconductor material 1 adapted to illuminable areas. Preferably, the measuring electrodes 4 . 5 at least partially transparent. In particular, they can be made of a transparent material. The measuring electrodes 4 . 5 are preferably designed such that they are those of the light-emitting diodes 2 . 2 ' emitted radiation unhindered to the semiconductor material 1 let pass. The measuring electrodes 4 . 5 In particular, they may be formed as wire, lattice, line and / or hairpin structures or as a printed circuit, in particular on a transparent support. Among the electrodes used according to the invention are wire electrodes, in particular of PU-coated copper with a total length of at most 10 mm and a diameter of 0.2 mm. However, also flat electrodes made of epoxy resin with a 20 to 50 microns thick copper coating were used. Their lateral dimensions were in the range between 1 cm and 5 cm. The capacity of the measuring electrodes 4 . 5 is significantly below 0.1 pF for the wire electrodes. In the case of flat electrodes, the values of the parasitic capacitances are calculated up to 100 pF. Advantageously, the capacitance of the measuring electrodes 4 . 5 kept as small as possible.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ein Paar Leuchtdioden 2, 2', welche allgemein als Anregungs-Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Oberflächenspannung auf dem Halbleiter-Material 1 dienen. Es können auch mehrere Paare LEDs 2, 2' vorgesehen sein. Die Paare können insbesondere unterschiedliche Emissions-Spektren aufweisen. Die Leuchtdioden 2, 2' stehen in elektrischer Verbindung mit der Steuer-Einrichtung 3. Die Steuer-Einrichtung 3 umfasst einen Signal-Generator 8. Beim Signal-Generator 8 handelt es sich vorzugsweise um einen Oszillator. Mittels des Signal-Generators 8 sind die Leuchtdioden 2, 2' intermittierend, insbesondere alternierend, ansteuerbar. Der Frequenzbereich der vom Signal-Generator 8 erzeugbaren Signale liegt im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz. Hierbei ist die Frequenz der vom Signal-Generator 8 erzeugbaren Signale vorzugsweise zur Anpassung an die mittlere Lebensdauer der im Halbleiter-Material 1 erzeugbaren freien Ladungsträger regulierbar.According to the invention, the device comprises a pair of light-emitting diodes 2 . 2 ' , which generally as an excitation means for generating an electrical surface tension on the semiconductor material 1 serve. There can also be several pairs of LEDs 2 . 2 ' be provided. In particular, the pairs can have different emission spectra. The light-emitting diodes 2 . 2 ' are in electrical connection with the control device 3 , The tax facility 3 includes a signal generator 8th , At the signal generator 8th it is preferably an oscillator. By means of the signal generator 8th are the light-emitting diodes 2 . 2 ' intermittent, in particular alternating, controllable. The frequency range of the signal generator 8th can be generated in the range of 1 kHz to 100 MHz. Here is the frequency of the signal generator 8th generated signals preferably to adapt to the average life of the semiconductor material 1 adjustable free charge carrier regulated.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ist parallel zu jeder der Leuchtdioden 2, 2' eine entsprechende Blind-LED 9, 9' vorgesehen. Hierbei ist die Blind-LED 9' räumlich der Leuchtdiode 2 zugeordnet. Entsprechend ist die Blind-LED 9 räumlich der Leuchtdiode 2' zugeordnet. Die Blind-LED 9, 9' sind vorzugsweise identisch zu den Leuchtdioden 2, 2' ausgebildet. Gemäß dem in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leuchtdiode 2 und die Blind-LED 9' derart bezüglich der Mess-Elektroden 4, 5 angeordnet, dass eine mittels dieser auf dem Halbleiter-Material 1 erzeugte elektrische Oberflächenspannung mittels der ersten Mess-Elektrode 4 nachweisbar ist. Entsprechend ist die Leuchtdiode 2' und die Blind-LED 9 bezüglich der Mess-Elektroden 4, 5 derart angeordnet, dass eine mittels dieser auf dem Halbleiter-Material 1 erzeugte elektrische Oberflächenspannung mittels der zweiten Mess-Elektrode 5 nachweisbar ist.In a first embodiment is parallel to each of the LEDs 2 . 2 ' a corresponding blind LED 9 . 9 ' intended. Here is the blind LED 9 ' spatially the LED 2 assigned. The blind LED is accordingly 9 spatially the LED 2 ' assigned. The blind LED 9 . 9 ' are preferably identical to the LEDs 2 . 2 ' educated. According to the in 2 shown first embodiment of the invention is the light emitting diode 2 and the blind LED 9 ' such with respect to the measuring electrodes 4 . 5 arranged that one by means of this on the semiconductor material 1 generated electrical surface voltage by means of the first measuring electrode 4 is detectable. Accordingly, the light-emitting diode 2 ' and the blind LED 9 with respect to the measuring electrodes 4 . 5 arranged such that by means of this on the semiconductor material 1 generated surface electrical voltage by means of the second measuring electrode 5 is detectable.
Die Leuchtdioden 2, 2' und die Blind-LED 9, 9' weisen jeweils eine Anode 10 und eine Kathode 11 auf. Die Leuchtdioden 2, 2' und die Blind-LED 9, 9' sind derart verschaltet, dass die Anode 10 der Leuchtdioden 2, 2' fest auf einem ersten Potential-Niveau U+ gehalten wird. Die Anode 10 der Blind-LED 9, 9' wird auf einem zweiten Potential-Niveau U_ gehalten. Hierbei ist das zweite Potential-Niveau U– unter Beachtung der zulässigen Sperrspannung der Blind-LED 9, 9' derart gewählt, dass sich die Blind-LED 9, 9' stets in der sogenannten Sperr-Stellung befinden.The light-emitting diodes 2 . 2 ' and the blind LED 9 . 9 ' each have an anode 10 and a cathode 11 on. The light-emitting diodes 2 . 2 ' and the blind LED 9 . 9 ' are connected in such a way that the anode 10 the light-emitting diodes 2 . 2 ' is held firmly at a first potential level U + . The anode 10 the blind LED 9 . 9 ' is held at a second potential level U_. In this case, the second potential level U is - taking into account the permissible reverse voltage of the blind LED 9 . 9 ' chosen so that the blind LED 9 . 9 ' always in the so-called locked position.
Die Kathoden 11 der Leuchtdiode 2 und der Blind-LED 9 sind jeweils direkt mit einem Ausgang des Signal-Generators 8 verbunden. Die Kathoden 11 der Leuchtdiode 2' und der Blind-LED 9' sind über einen zwischengeschalteten Leistungsinverter 12 mit dem Ausgang des Signal-Generators 8 verbunden.The cathodes 11 the LED 2 and the blind LED 9 are each directly connected to an output of the signal generator 8th connected. The cathodes 11 the LED 2 ' and the blind LED 9 ' are via an intermediate power inverter 12 with the output of the signal generator 8th connected.
Selbstverständlich ist es ebenso möglich, die Kathoden 11 an ein festes Bezugspotential anzuschließen und die Anoden 10 mit dem Ausgang des Signal-Generators 8 bzw. dem Leistungsinverter 12 zu verbinden.Of course, it is also possible, the cathodes 11 to connect to a fixed reference potential and the anodes 10 with the output of the signal generator 8th or the power inverter 12 connect to.
Die Blind-LED 9, 9' und/oder der Leistungsinverter 12 sind derart ausgebildet, dass ein aufgrund einer Streukapazität der Leuchtdioden 2, 2' in den Mess-Elektroden 4, 5 induziertes Signal gerade kompensiert wird. Hierzu ist es einerseits möglich, mittels der Blind-LED 9 in der zweiten Mess-Elektrode 5 ein Signal zu induzieren, welches gerade dem von der Leuchtdiode 2 in der ersten Mess-Elektrode 4 induzierten Signal entspricht. Da die Mess-Elektroden 4, 5, mit den Eingängen eines Differenz-Verstärkers 13 verbunden sind, kompensieren sich die von der Leuchtdiode 2 in der ersten Mess-Elektrode 4 und von der Blind-LED 9 in der zweiten Mess-Elektrode 5 induzierten Signale. The blind LED 9 . 9 ' and / or the power inverter 12 are formed such that a due to a stray capacitance of the LEDs 2 . 2 ' in the measuring electrodes 4 . 5 induced signal is being compensated. For this it is possible, on the one hand, by means of the blind LED 9 in the second measuring electrode 5 to induce a signal which is just that of the light emitting diode 2 in the first measuring electrode 4 corresponds to induced signal. Because the measuring electrodes 4 . 5 , with the inputs of a differential amplifier 13 are connected, compensate for the light-emitting diode 2 in the first measuring electrode 4 and from the blind LED 9 in the second measuring electrode 5 induced signals.
Beim Differenz-Verstärker 13 handelt es sich vorteilhafter Weise um einen symmetrischen Instrumentenverstärker. Er ist Bestandteil der Signal-Konditionierungs-Einrichtung 6.At the differential amplifier 13 it is advantageous to a symmetrical instrumentation amplifier. It is part of the signal conditioner 6 ,
Andererseits ist die Blind-LED 9' derart an die Leuchtdiode 2 angepasst, dass sich bei Änderungen der Ausgangsspannung des Oszillators die Änderungen der elektrischen Felder im Bereich der Blind-LED 9' und der Leuchtdiode 2 in Summe gegeneinander aufheben. Somit werden die Streu-Effekte des elektrischen Feldes der Leuchtdiode 2 auf die erste Mess-Elektrode 4 gerade kompensiert. Entsprechend ist die Blind-LED 9 zur Kompensation des Streufelds der Leuchtdiode 2' auf die zweite Mess-Elektrode 5 geeignet.On the other hand, the blind LED 9 ' so to the light emitting diode 2 adjusted so that changes in the output voltage of the oscillator, the changes in the electric fields in the blind LED 9 ' and the light emitting diode 2 in sum, cancel each other. Thus, the stray effects of the electric field of the light emitting diode become 2 on the first measuring electrode 4 just compensated. The blind LED is accordingly 9 for compensation of the stray field of the LED 2 ' on the second measuring electrode 5 suitable.
Vorteilhafter Weise kommt es somit zu einer doppelten Kompensation der von den Leuchtdioden 2, 2' in die Mess-Elektroden 4, 5 kapazitiv eingekoppelten Streu-Artefakte.Advantageously, there is thus a double compensation of the light-emitting diodes 2 . 2 ' into the measuring electrodes 4 . 5 capacitively coupled litter artifacts.
Die erfindungsgemäße Schaltung weist somit aufgrund der Symmetrieeigenschaften und/oder aufgrund der Kompensation der von den primären Leuchtdioden 2, 2' in den Mess-Elektroden 4, 5 induzierten Artefakten durch geeignete, entgegengesetzte Ladungsträger-Anhäufung auf den Blind-LED 9', 9 und/oder der elektromagnetischen Abschirmung der Leuchtdioden 2, 2' durch das Metall-Gitter 7 ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ließen sich mit einer mehr-, insbesondere einer drei-stufigen Schaltung, bei einer Gesamtverstärkung von 80000 Rauschspannungen von weniger als 20 mV erreichen. Hiermit sind Nutzsignale im Bereich von 1 μV bis 3 μV noch mess- und auswertbar.The circuit according to the invention thus has due to the symmetry properties and / or due to the compensation of the primary light emitting diodes 2 . 2 ' in the measuring electrodes 4 . 5 induced artifacts by appropriate, opposite charge carrier accumulation on the blind LED 9 ' . 9 and / or the electromagnetic shielding of the light-emitting diodes 2 . 2 ' through the metal grid 7 a very high signal-to-noise ratio. With the device according to the invention could be with a more, especially a three-stage circuit, with a total gain of 80000 noise voltages of less than 20 mV reach. With this, useful signals in the range of 1 μV to 3 μV can still be measured and evaluated.
Weitere spezielle Abschirmmaßnahmen oder zeitintensive Störunterdrückungen oder Signal-Nachbehandlungen sind somit nicht nötig. Dies führt zu einem besonders vorteilhaften einfachen und robusten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Further special shielding measures or time-consuming interference suppression or signal aftertreatments are therefore not necessary. This leads to a particularly advantageous simple and robust construction of the device according to the invention.
Der Ausgang des Differenz-Verstärkers 13 ist mit einer Auswert-Einrichtung 14 verbunden. Bei der Auswert-Einrichtung 14 handelt es sich beispielsweise um einen Phasendiskriminator. Dieser kann in einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel eine Anzeige zur Darstellung des Leitungstyps des Halbleiter-Materials 1 aufweisen. Selbstverständlich sind auch aufwendigere Auswert-Einrichtungen 14, beispielsweise für eine ortsaufgelöste Oberflächenanalytik des Halbleiter-Materials 1 möglich. Beispielsweise lassen sich durch Bewertung der Amplitude, der Abklingzeit oder des Amplitudenverhältnisses bei Anregung durch Photonen verschiedener Wellenlänge auch andere Halbleitereigenschaften als der Leitungstyp des Halbleiter-Materials 1 wie beispielsweise die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, die Dotierung und der Grad der Oberflächenrekombination, die Ladungsträgerlebensdauer und/oder der spezifische Widerstand des Halbleiter-Materials 1 bestimmen.The output of the differential amplifier 13 is with an evaluation device 14 connected. In the evaluation device 14 For example, it is a phase discriminator. This can, in a particularly simple embodiment, a display for displaying the conductivity type of the semiconductor material 1 exhibit. Of course, more complex evaluation facilities 14 , for example, for a spatially resolved surface analysis of the semiconductor material 1 possible. For example, by evaluating the amplitude, the decay time or the amplitude ratio when excited by photons of different wavelengths, semiconductor properties other than the conductivity type of the semiconductor material can be determined 1 such as the minority carrier diffusion length, the doping and the degree of surface recombination, the carrier lifetime and / or the resistivity of the semiconductor material 1 determine.
Die Vorrichtung kann optische Mittel zur Regulierung der Beleuchtung des Halbleiter-Materials 1 mittels der Leuchtdioden 2, 2' aufweisen. Diese Mittel können insbesondere ein oder mehrere Blenden und/oder Linsen zur Regulierung der räumlichen Ausdehnung der mittels der Leuchtdioden 2, 2' beleuchteten Gebiete auf dem Halbleiter-Material 1 umfassen.The device may include optical means for regulating the illumination of the semiconductor material 1 by means of the LEDs 2 . 2 ' exhibit. These means may in particular one or more apertures and / or lenses for regulating the spatial extent of the means of the light-emitting diodes 2 . 2 ' illuminated areas on the semiconductor material 1 include.
Aufgrund des großen Signal-Rausch-Verhältnisses können sich Leuchtdioden 2, 2' mit großen Kathodenflächen und/oder Kombinationen mehrerer Leuchtdioden mit unterschiedlichen Spektren und/oder Leuchtdioden 2, 2' mit einem Spektrum im kurzwelligen, insbesondere im blauen bis UV-Spektralbereich und/oder Leuchtdioden 2, 2' mit hohen Flussspannungen eingesetzt werden.Due to the large signal-to-noise ratio, LEDs can 2 . 2 ' with large cathode areas and / or combinations of several light emitting diodes with different spectrums and / or light emitting diodes 2 . 2 ' with a spectrum in the short-wave, in particular in the blue to UV spectral range and / or light-emitting diodes 2 . 2 ' be used with high flux voltages.
Erste Versuche haben gezeigt, dass die Leuchtdioden 2, 2' entgegen der allgemeinen Lehrmeinung zur Anregung von messbaren Oberflächenphotospannungen auf dem Halbleiter-Material 1, welche mittels der Mess-Elektroden 4, 5 und der Signal-Konditionierungs-Einrichtung 6 mit dem Differenz-Verstärker 13 nachweisbar waren, geeignet sind.Initial experiments have shown that the light-emitting diodes 2 . 2 ' contrary to the general opinion for the excitation of measurable surface photovoltages on the semiconductor material 1 , which by means of the measuring electrodes 4 . 5 and the signal conditioner 6 with the differential amplifier 13 were detectable, are suitable.
Im Folgenden wird das Verfahren zur berührungslosen Charakterisierung eines Halbleiter-Materials 1 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Zunächst wird die Vorrichtung derart in Bezug auf das zu charakterisierende Halbleiter-Material 1 angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich auf dem Halbleiter-Material 1 mittels einer der Leuchtdioden 2, 2' beleuchtbar ist. Durch Anlegen einer geeigneten Flussspannung UF an und/oder Durchleiten eines geeigneten Flussstromes IF durch eine der Leuchtdioden 2, 2' wird diese zur Lichtemission angeregt. Hierdurch werden zusätzliche freie Ladungsträger im beleuchteten Teilbereich im Halbleiter-Material 1 erzeugt. Die hierdurch auf dem Halbleiter-Material 1 erzeugte Oberflächenspannung wird mittels der Mess-Elektroden 4, 5 berührungslos ausgekoppelt. Die mittels der Mess-Elektroden 4, 5 abgeleiteten Signale werden mittels der Signal-Konditionierungs-Einrichtung 6 weiterverarbeitet. Hierzu werden die Signale der Mess-Elektroden 4, 5 den Eingängen des Differenz-Verstärkers 13 zugeleitet und mittels diesem differenziell verstärkt. Eine Kompensation der statischen Potentiale ist hierbei aufgrund der kapazitiven Ankopplung und des symmetrischen Aufbaus der Schaltung und des Differenz-Verstärkers 13 nicht nötig. Das Ausgangssignal des Differenz-Verstärkers 13 wird mittels der Auswert-Einrichtung 14 je nach Bedarf weiterverarbeitet. In einer besonders einfachen Ausführungsform wir hierbei lediglich eine Anzeige zur Darstellung des Leitungstyps des Halbleiter-Materials 1 in Abhängigkeit vom gemessenen Signal aktiviert. Aufgrund der komplexen Abhängigkeit der erzeugten Oberflächenspannung von verschiedenen Halbleitereigenschaften wie Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, Dotierung und Grad der Oberflächenrekombination lassen sich mit einer geeigneten Anregung und Signalkonditionierung jedoch auch Aussagen zur Ladungsträgerlebensdauer, zum Vorhandensein von P/N-Übergängen und/oder dem spezifischen Widerstand des Halbleiter-Materials 1 gewinnen.The following is the method for non-contact characterization of a semiconductor material 1 described by means of the device according to the invention. First, the device becomes so in relation to the semiconductor material to be characterized 1 arranged that at least a portion of the semiconductor material 1 by means of one of the light-emitting diodes 2 . 2 ' is illuminated. By applying a suitable forward voltage U F and / or passing a suitable flow current I F through one of the LEDs 2 . 2 ' this is stimulated to emit light. As a result, additional free charge carriers in the illuminated portion in the semiconductor material 1 generated. The resulting on the semiconductor material 1 generated surface tension is measured by the measuring electrodes 4 . 5 Disconnected without contact. The means of the measuring electrodes 4 . 5 derived signals are sent by the signal conditioner 6 further processed. For this purpose, the signals of the measuring electrodes 4 . 5 the inputs of the differential amplifier 13 supplied and amplified by this differentially. A compensation of the static potentials is due to the capacitive coupling and the symmetrical structure of the circuit and the differential amplifier 13 not necessary. The output signal of the differential amplifier 13 is by means of the evaluation device 14 further processed as needed. In a particularly simple embodiment, we here only a display for displaying the conductivity type of the semiconductor material 1 activated depending on the measured signal. Due to the complex dependence of the generated surface tension of different semiconductor properties such as diffusion length of the minority carriers, doping and degree of surface recombination can be with a suitable excitation and signal conditioning but also statements on the carrier lifetime, the presence of P / N junctions and / or the resistivity of the semiconductor -Materials 1 win.
Vorzugsweise werden die Leuchtdioden 2, 2' intermittierend angesteuert. Hierbei werden insbesondere die Leuchtdiode 2 und die Leuchtdiode 2' alternierend angesteuert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Frequenz der Ansteuerung der Leuchtdioden 2, 2' zur Anpassung an die mittlere Lebensdauer der von den Leuchtdioden 2, 2' im Halbleiter-Material 1 erzeugten freien Ladungsträger regulierbar. Hierdurch lässt sich das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessern.Preferably, the light emitting diodes 2 . 2 ' controlled intermittently. In this case, in particular, the light-emitting diode 2 and the light emitting diode 2 ' controlled alternately. In a particularly advantageous embodiment, the frequency of the driving of the light-emitting diodes 2 . 2 ' to adapt to the average life of the light-emitting diodes 2 . 2 ' in the semiconductor material 1 generated free charge carriers regulated. This further improves the signal-to-noise ratio.
Je nach Bedarf und Anwendung kann die Ausdehnung der von den Leuchtdioden 2, 2' auf den Halbleiter-Material 1 beleuchteten Bereiche und/oder die Intensität der Bestrahlung mittels optischer Mittel, insbesondere Blenden und/oder Linsen, eingestellt werden. Es lassen sich somit insbesondere ausgedehnte Bereiche in der Größenordnung von bis zu 100 cm2 mittels der Leuchtdioden 2, 2' bestrahlen ebenso wie kleinere, punktuelle Bereiche mit einer Präzision bis in den Bereich von Mikrometern, d. h. einer Ausdehnung von wenigen μm2. Die maximale Auflösung ist hierbei im Wesentlichen durch den Fokus der Leuchtdioden 2, 2' und durch die Wellenlänge des von den Leuchtdioden 2, 2' erzeugbaren Lichtes bestimmt. Zur Bestrahlung größerer Bereiche können mehrere Leuchtdioden 2, 2' parallel angesteuert werden.Depending on the needs and application, the extent of the light-emitting diodes 2 . 2 ' on the semiconductor material 1 illuminated areas and / or the intensity of the irradiation by means of optical means, in particular diaphragms and / or lenses, are set. It can thus be particularly extended areas in the order of up to 100 cm 2 by means of the light-emitting diodes 2 . 2 ' irradiate as well as smaller, punctual areas with a precision down to the micrometer range, ie an extension of a few μm 2 . The maximum resolution here is essentially due to the focus of the LEDs 2 . 2 ' and by the wavelength of the light emitting diodes 2 . 2 ' producible light determined. For irradiation of larger areas, several light emitting diodes 2 . 2 ' be controlled in parallel.
Parallel zu den Leuchtdioden 2, 2' werden jeweils die zugehörigen Blind-LED 9, 9' angesteuert. Da die Blind-LED 9, 9' durch das angelegte elektrische Potential jedoch immer in Sperrrichtung vorgespannt sind, bleiben diese stets dunkel. Aufgrund der bei Änderungen des elektrischen Potentials an den Leuchtdioden 2, 2' hervorgerufenen betragsgleichen, jedoch entgegen gesetzten Potentialänderungen an den Blind-LED 9, 9' können kapazitive Streu-Artefakte, welche von den Leuchtdioden 2, 2' in den Mess-Elektroden 4, 5 hervorgerufen werden, und welche nie vollständig zu vermeiden sind, mittels der Blind-LED 9, 9' kompensiert werden.Parallel to the LEDs 2 . 2 ' in each case the associated blind LED 9 . 9 ' driven. Because the blind LED 9 . 9 ' However, they are always biased in the reverse direction by the applied electric potential, they always remain dark. Due to the changes in the electrical potential at the LEDs 2 . 2 ' same amount of charge, but opposite potential changes to the blind LED 9 . 9 ' can capacitive stray artifacts, which from the light emitting diodes 2 . 2 ' in the measuring electrodes 4 . 5 be caused, and which are never completely avoided, by means of the blind LED 9 . 9 ' be compensated.
In einer besonders einfachen Ausführungsform kann auf eine der Leuchtdioden 2, 2', insbesondere die Leuchtdiode 2', und eine der Blind-LED 9, 9', insbesondere die Blind-LED 9, verzichtet werden. Anders ausgedrückt ist es auch möglich, eine einzige Leuchtdiode 2 zur Anregung des Halbleiter-Materials 1 vorzusehen.In a particularly simple embodiment, one of the light emitting diodes 2 . 2 ' , in particular the light emitting diode 2 ' , and one of the blind LEDs 9 . 9 ' , in particular the blind LED 9 , be waived. In other words, it is also possible to have a single light-emitting diode 2 for exciting the semiconductor material 1 provided.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Der Wesentliche Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht in der relativen Anordnung der Mess-Elektroden 4, 5 zueinander. Die Mess-Elektroden 4, 5 sind beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 einander gegenüberliegend angeordnet. Sie sind insbesondere parallel zueinander angeordnet.The following is with reference to the 3 a further embodiment of the invention described. Identical parts are given the same reference numerals as in the first embodiment, to the description of which reference is hereby made. The essential difference from the first embodiment is the relative arrangement of the measuring electrodes 4 . 5 to each other. The measuring electrodes 4 . 5 are in the embodiment according to 3 arranged opposite each other. They are arranged in particular parallel to each other.
Zwischen den Mess-Elektroden 4, 5 ist eine Transport-Einrichtung 15 zum Transport des Halbleiter-Materials 1 vorgesehen. Die Transport-Einrichtung 15 umfasst vorzugsweise ein Transportband 16. Das Transportband 16 ist in einer Transport-Richtung 17 parallel zu den Mess-Elektroden 4, 5, verschiebbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl Leuchtdioden 2 vorgesehen. Die Leuchtdioden 2 sind insbesondere sequenziell ansteuerbar. Die Anzahl der Leuchtdioden 2 ist an die Breite des Messobjektes und/oder der Transport-Einrichtung 15 anpassbar. Die Leuchtdioden 2 werden insbesondere als Lauflicht betrieben. Sie werden vorzugsweise im Wechsel mit der Blind-LED 9' angesteuert. Die Gesamtladung vor den Mess-Elektrode 4, 5 bleibt hierbei konstant. Bei dieser Ausführungsform ist einerseits eine ortsaufgelöste Messung möglich, andererseits ist der Aufwand zur Ladungskompensation minimal. Selbstverständlich können auch mehrere Blind-LED 9' vorgesehen sein. Es ist insbesondere denkbar, jeder Leuchtdiode 2 eine Blind-LED 9' zuzuordnen. In diesem Fall sind die Leuchtdiode 2 und die zugehörige Blind-LED 9' vorzugsweise benachbart zueinander angeordnet.Between the measuring electrodes 4 . 5 is a transportation facility 15 for transporting the semiconductor material 1 intended. The transport facility 15 preferably comprises a conveyor belt 16 , The conveyor belt 16 is in a transport direction 17 parallel to the measuring electrodes 4 . 5 , movable. In this embodiment, a plurality of light-emitting diodes 2 intended. The light-emitting diodes 2 are in particular sequentially controllable. The number of LEDs 2 is to the width of the measurement object and / or the transport device 15 customizable. The light-emitting diodes 2 are operated in particular as running light. They are preferably alternating with the blind LED 9 ' driven. The total charge in front of the measuring electrode 4 . 5 stays constant. In this embodiment, on the one hand, a spatially resolved measurement is possible, on the other hand, the cost of charge compensation is minimal. Of course, also several blind LEDs 9 ' be provided. It is particularly conceivable, each LED 2 a blind LED 9 ' assigned. In this case, the light emitting diode 2 and the associated blind LED 9 ' preferably arranged adjacent to each other.
Die Ausführungsform gemäß 3 eignet sich besonders für Messungen an pulverförmigem und/oder granularem Halbleiter-Material 1. Die einander gegenüberliegende Anordnung der Mess-Elektroden 4, 5 ist außerdem zur Kontrolle auf Reste von P/N-Übergängen in aufgearbeiteten Zellschrott bei Anregung durch Leuchtdioden 2 mit einem Spektrum im Infrarot-Bereich vorteilhaft.The embodiment according to 3 is particularly suitable for measurements on powdery and / or granular semiconductor material 1 , The opposing arrangement of the measuring electrodes 4 . 5 is also used to control remnants of P / N junctions in reclaimed cell scrap when excited by light emitting diodes 2 advantageous with a spectrum in the infrared range.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem alternativen Messkopfaufbau der Vorrichtung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform sind die Leuchtdioden 2, 2' von denen in den Figuren ohne Beschränkung der Allgemeinheit nur eine einzige dargestellt ist, von zylinderförmig ausgebildeten Metall-Gittern 7, welche als elektromagnetische Blende wirken, umgeben.The following is with reference to the 4 and 5 A third embodiment of the invention with an alternative measuring head structure of the device will be described. In this embodiment, the light-emitting diodes 2 . 2 ' of which in the figures, without limiting the generality is shown only a single, of cylindrical metal grids 7 , which act as electromagnetic diaphragm, surrounded.
Die Mess-Elektroden 4, 5 sind vorzugsweise durch eine gedruckte Schaltung realisiert. Sie sind insbesondere als Kupferfläche ausgebildet. Sie sind auf einem Träger 18 angeordnet und liegen insbesondere vor Dämpfen und Staub geschützt im Geräteinneren. Eine derartige Ausbildung und Anordnung der Mess-Elektroden 4, 5 ist selbstverständlich auch bei den anderen Ausführungsbeispielen denkbar. Das Metall-Gitter 7 ist jeweils zwischen den Mess-Elektroden 4, 5 und den Leuchtdioden 2, 2' angeordnet. Hierbei steht das Metall-Gitter 7 in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Mess-Elektroden 4, 5 um eine Dicke D des Trägers 18 auf der den Leuchtdioden 2, 2' abgewandten Seite der Mess-Elektroden 4, 5 über diese über. Dieser Überstand des Metall-Gitters 7 verhindert im Wesentlichen vollständig die Einkupplung von Störsignalen beim Umschalten der Leuchtdioden 2, 2'. Andererseits wird die Lichtausbeute der Leuchtdioden 2, 2' nicht durch ein Gitter im Strahlengang gemindert.The measuring electrodes 4 . 5 are preferably realized by a printed circuit. They are designed in particular as a copper surface. You are on a carrier 18 arranged and are particularly protected against fumes and dust inside the device. Such a design and arrangement of the measuring electrodes 4 . 5 is of course also conceivable in the other embodiments. The metal grid 7 is in each case between the measuring electrodes 4 . 5 and the light emitting diodes 2 . 2 ' arranged. Here is the metal grid 7 in the direction perpendicular to the surface of the measuring electrodes 4 . 5 by a thickness D of the carrier 18 on the light-emitting diodes 2 . 2 ' opposite side of the measuring electrodes 4 . 5 about this over. This supernatant of the metal grid 7 substantially completely prevents the coupling of interference signals when switching the LEDs 2 . 2 ' , On the other hand, the luminous efficacy of the LEDs 2 . 2 ' not diminished by a grating in the beam path.
Der Träger 18 ist plattenförmig ausgebildet. Er ist vorzugsweise aus einem Isoliermaterial. Die Vorrichtung kann mittels des Trägen 18 vorzugsweise vollständig gekapselt, d. h. staub- und feuchtigkeitsdicht ausgebildet sein. Sie ist dadurch besonders robust. Gleichzeitig lässt sich hierdurch eine Kontaminierung des zu charakterisierenden Halbleiter-Materials 1 noch zuverlässiger vermeiden.The carrier 18 is plate-shaped. It is preferably made of an insulating material. The device can by means of the lazy 18 preferably completely encapsulated, that is to be formed dust and moisture-proof. It is therefore particularly robust. At the same time this can be a contamination of the semiconductor material to be characterized 1 even more reliable.
Zur Erdung des Metall-Gitters 7 und zur Ableitung der Signale von den Mess-Elektroden 4, 5 sind vorzugsweise Koaxialkabel, welche elektrisch leitend mit dem Metall-Gitter 7 verbunden sind, vorgesehen.To ground the metal grid 7 and for deriving the signals from the measuring electrodes 4 . 5 are preferably coaxial cables which are electrically conductive with the metal grid 7 are provided, provided.
Blind-LED 9, 9' sind bei diesem Ausführungsbeispiel nicht zwingend notwendig.Blind LED 9 . 9 ' are not mandatory in this embodiment.
Je nach Bedarf und Anwendung weist die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Paar Leuchtdioden 2, 2' oder mehrere Leuchtdioden 2 auf. Bei einer Vielzahl von Leuchtdioden 2, sind diese vorzugsweise entlang einer Linie oder in einem zweidimensionalen Gitter (Array) angeordnet. Sie sind sequenziell ansteuerbar. Eine zweidimensionale Anordnung einer Vielzahl von Leuchtdioden 2 ist insbesondere für eine ortsaufgelöste Oberflächenanalytik des Halbleiter-Materials 1 vorteilhaft.Depending on requirements and application, the device according to this embodiment has a pair of light-emitting diodes 2 . 2 ' or more light emitting diodes 2 on. In a variety of LEDs 2 , these are preferably arranged along a line or in a two-dimensional grid (array). They are sequentially controllable. A two-dimensional arrangement of a plurality of light-emitting diodes 2 is in particular for a spatially resolved surface analysis of the semiconductor material 1 advantageous.
Durch Verwendung von Leuchtdioden 2 mit unterschiedlichen Emissions-Spektren lassen sich über die Bewertung der Amplitude, der Abklingzeit oder des Amplitudenverhältnisses bei Anregung durch Photonen verschiedener Wellenlänge eine Vielzahl von Halbleitereigenschaften, beispielsweise die Ladungsträgerlebensdauer, die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, die Dotierung und der Grad der Oberflächenrekombination, das Vorhandensein von P/N-Übergängen und/oder der spezifische Widerstand bestimmen.By using light emitting diodes 2 With different emission spectra can be on the evaluation of the amplitude, the decay time or the amplitude ratio when excited by photons of different wavelengths a variety of semiconductor properties, such as the carrier lifetime, the diffusion length of the minority carriers, the doping and the degree of surface recombination, the presence of P / N transitions and / or determine the specific resistance.
