DE102013202480B4 - Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers - Google Patents
Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013202480B4 DE102013202480B4 DE102013202480.0A DE102013202480A DE102013202480B4 DE 102013202480 B4 DE102013202480 B4 DE 102013202480B4 DE 102013202480 A DE102013202480 A DE 102013202480A DE 102013202480 B4 DE102013202480 B4 DE 102013202480B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- carrier
- excess
- relaxation time
- lifetime
- charge carrier
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 14
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 14
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 5
- YTAHJIFKAKIKAV-XNMGPUDCSA-N [(1R)-3-morpholin-4-yl-1-phenylpropyl] N-[(3S)-2-oxo-5-phenyl-1,3-dihydro-1,4-benzodiazepin-3-yl]carbamate Chemical compound O=C1[C@H](N=C(C2=C(N1)C=CC=C2)C1=CC=CC=C1)NC(O[C@H](CCN1CCOCC1)C1=CC=CC=C1)=O YTAHJIFKAKIKAV-XNMGPUDCSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims description 4
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/2648—Characterising semiconductor materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/265—Contactless testing
- G01R31/2656—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
- H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer eines Halbleitersubstrates aus einer dynamischen und differentiellen Messung der Relaxationszeit freier Ladungsträger, folgende Verfahrensschritte umfassend:A Erzeugen einer ersten Überschussladungsträgerdichte Δnund mindestens einer zweiten Überschussladungsträgerdichte Δnin dem Halbleitersubstrat, wobei die erste Überschussladungsträgerdichte Δnunterschiedlich zur zweiten Überschussladungsträgerdichte Δnist und dynamisches und differentielles Messen einer ersten Ladungsträger-Relaxationszeit τund einer ersten Generationsrate Gin dem Halbleitersubstrat ausgehend von erster Überschussladungsträgerdichte Δnund mindestens einer zweiten Ladungsträger-Relaxationszeit τund mindestens einer zweiten Generationsrate Gin dem Halbleitersubstrat ausgehend von der zweiten Überschussladungsträgerdichte Δn,B Berechnen der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer τ(i=1,2) bei der Überschussladungsträgerdichte Δn(i=1,2) abhängig von den in Verfahrensschritt A bestimmten Messgrößen τ, G, τund G, dadurch gekennzeichnet,dass in Verfahrensschritt A die Ladungsträger-Relaxationszeit τals charakteristische Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einer Änderung der Generationsrate G→ξ· G(i=1,2) , mit 0≤ξ≠1 gemessen wird, unddass in Verfahrensschritt B die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer τ(i=1,2) anhand eines analytischen Zusammenhangs zwischen τund den Messgrößen τund G(i=1,2) bestimmt wird.A method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of free carrier relaxation time, comprising the following steps: A generating a first excess carrier density Δn and at least one second excess carrier density Δn in the semiconductor substrate, wherein the first excess carrier density Δn is different than the second excess carrier density Δn and dynamic and differentially measuring a first carrier relaxation time τ and a first generation rate Gin the semiconductor substrate from first excess carrier density Δn and at least one second carrier relaxation time τ and at least one second generation rate Gin the semiconductor substrate from the second excess carrier density Δn, B calculating the actual carrier lifetime τ ( i = 1.2) at the excess charge carrier density Δn (i = 1,2) depending on the measured variables τ, G, τ and G determined in method step A, characterized in that in method step A the carrier relaxation time τ is the characteristic relaxation time of the excess charge carrier density after a change in the generation rate G → ξ · G (i = 1,2), where 0≤ξ ≠ 1 is measured, and that in method step B the actual carrier lifetime τ (i = 1,2) is determined on the basis of an analytical relationship between τ and the measured quantities τ and G (i = 1,2 ) is determined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer eines Halbleitersubstrates aus einer dynamischen und differentiellen Messung der Relaxationszeit freier Ladungsträger.The invention relates to a method for determining the actual charge carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers.
Bei der Verwendung von Halbleitersubstraten zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, beispielsweise von photovoltaischen Solarzellen oder anderen elektronischen Bauelementen ist eine exakte Bestimmung von Materialparametern von hohem Interesse. Insbesondere stellt die Ladungsträger-Lebensdauer für viele Anwendungen von Halbleitersubstraten einen wichtigen Parameter dar, so dass Bedarf an einer robusten, kosteneffektiven und exakten Messung der Ladungsträger-Lebensdauer besteht.When using semiconductor substrates for the production of semiconductor components, for example photovoltaic solar cells or other electronic components, an exact determination of material parameters is of great interest. In particular, carrier lifetime is an important parameter for many semiconductor substrate applications, so there is a need for robust, cost effective, and accurate carrier lifetime measurement.
Es ist bekannt, das zeitliche Abklingverhalten freier Ladungsträger in einem Halbleitersubstrat zu messen und hieraus eine Ladungsträger-Lebensdauer zu bestimmen. Es ist weiterhin bekannt, dass die Durchführung einer dynamischen Messung einer Ladungsträger-Lebensdauer aus dem zeitlichen Abklingverhalten freier Ladungsträger unter zeitlich konstanter Hintergrund-Ladungsträger-Injektion, wie beispielsweise durch eine konstante Beleuchtung (Biaslicht) nicht zur Bestimmung der tatsächlichen, sondern einer sogenannten differentiellen Ladungsträger-Lebensdauer führt. Dies ist in
Hier und im Folgenden bezeichnet „Injektion“ die Erzeugung freier Ladungsträgerpaare in dem Halbleitersubstrat. Dies kann beispielsweise durch Beleuchtung und/oder durch elektrisches Kontaktieren und Erzeugen eines Stromflusses durch den Halbleiter erzielt werden.Here and below, "injection" refers to the generation of free charge carrier pairs in the semiconductor substrate. This can be achieved, for example, by illumination and / or by electrical contacting and generating a current flow through the semiconductor.
Es werden daher Verfahren verwendet, bei welchen aus einer differentiellen Messung mittels Integration des differentiellen Messergebnisses über den gesamten Injektionsbereich unterhalb einer interessierenden Überschussladungsträgerdichte eine tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer berechnet wird. Dies ist in
Ein derartiges Vorgehen zur Bestimmung einer tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer weist jedoch mehrere Nachteile auf:However, such a procedure for determining an actual charge carrier lifetime has several disadvantages:
Erstens wird die Messbarkeit von Ladungsträger-Lebensdauern bis hin zu beliebig kleinen Injektionsdichten vorausgesetzt; dies ist jedoch unter realen Messbedingungen aufgrund der rauschbedingten Empfindlichkeitsgrenzen einer Messapparatur nicht ausreichend erfüllt.First, the measurability of carrier lifetimes up to arbitrarily small injection densities is assumed; However, this is not sufficiently fulfilled under real measurement conditions due to the noise-induced sensitivity limits of a measuring apparatus.
Zweitens ist die Messung von Ladungsträger-Lebensdauern über alle Überschussladungsträgerdichten unterhalb einer interessierenden Überschussladungsträgerdichte unverhältnismäßig aufwendig, sofern nur eine oder nur wenige bestimmte Überschussladungsträgerdichten von Interesse sind. Solche Messverfahren sind daher kostenaufwendig und/oder fehleranfällig.Second, the measurement of carrier lifetime across all excess charge carrier densities below an excess charge carrier density of interest is disproportionately expensive, if only one or only a few specific excess charge carrier densities are of interest. Such measuring methods are therefore expensive and / or error-prone.
Hier und im Folgenden bezeichnet die Überschussladungsträgerdichte die Dichte der freien Ladungsträger in dem Halbleitersubstrat, bei einem dotierten Halbleitersubstrat die Dichte der freien Minoritätsladungsträger.Here and below, the excess charge carrier density denotes the density of the free charge carriers in the semiconductor substrate, in the case of a doped semiconductor substrate the density of the free minority carriers.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer eines Halbleitersubstrates zu schaffen, welches die zuvor genannten Nachteile überwindet.The invention is therefore based on the object to provide a method for determining the actual charge carrier lifetime of a semiconductor substrate, which overcomes the aforementioned disadvantages.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 14.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method according to the invention can be found in claims 2 to 14.
Die Erfindung ist zum einen in der Erkenntnis begründet, dass nicht nur Messungen der Ladungsträger-Lebensdauer unter zeitlich konstanter Hintergrund-Ladungsträger-Injektion, sondern auch stetig und insbesondere harmonisch zeitmodulierte Messmethoden zur Bestimmung einer differentiellen Ladungsträger-Lebensdauer führen, wie beispielsweise das in
Weiterhin ist die Erfindung in der Erkenntnis begründet, dass ein analytischer Zusammenhang besteht, so dass aus Messung von zwei Paaren von differentieller Ladungsträger-Lebensdauer und Generationsrate in dem Halbleitersubstrat, wie nachfolgend näher erläutert wird, unter Verwendung des vorgenannten analytischen Zusammenhangs die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer bestimmt werden kann.Furthermore, the invention is based on the recognition that there is an analytical connection, such that from the measurement of two pairs of differential charge carrier lifetime and generation rate in the semiconductor substrate, as explained in more detail below, using the aforementioned analytical context, the actual charge carrier lifetime can be determined.
Es ist somit erstmals möglich, ohne aufwendige und hinsichtlich der Konvergenz störanfällige numerische Verfahren (wie in
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer eines Halbleitersubstrates umfasst folgende Verfahrensschritte:The method according to the invention for determining the actual charge carrier lifetime of a semiconductor substrate comprises the following method steps:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Erzeugen einer ersten Überschussladungsträgerdichte Δn1 und mindestens einer zweiten Überschussladungsträgerdichte Δn2 in dem Halbleitersubstrat, wobei die erste Überschussladungsträgerdichte Δn1 unterschiedlich ist zur zweiten Überschussladungsträgerdichte Δn2. Weiterhin erfolgt ein dynamisches und differentielles Messen einer ersten Ladungsträger-Relaxationszeit τM,1 und einer ersten Generationsrate G1 in dem Halbleitersubstrat ausgehend von erster Überschussladungsträgerdichte Δn1 und mindestens einer zweiten Ladungsträger-Relaxationszeit τM,2 und mindestens einer zweiten Generationsrate G2 in dem Halbleitersubstrat ausgehend von der zweiten Überschussladungsträgerdichte Δn2.In a method step A, a first excess charge carrier density Δn 1 and at least one second excess carrier density Δn 2 are generated in the semiconductor substrate, wherein the first excess carrier density Δn 1 is different from the second excess carrier density Δn 2 . Furthermore, a dynamic and differential measurement of a first charge carrier relaxation time τ M, 1 and a first generation rate G 1 in the semiconductor substrate is carried out on the basis of first excess charge carrier density Δn 1 and at least one second charge carrier relaxation time τ M, 2 and at least one second generation rate G 2 in FIG the semiconductor substrate, starting from the second excess charge carrier density Δn 2 .
Dynamisches und differentielles Messen bezeichnet hier die Bestimmung der Ladungsträger-Relaxationszeit τM,i, entweder durch Messung der Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einer abrupten Änderung der Generationsrate freier Ladungsträger Gi→ξ. Gi mit einem Biaslichtparameter ξ≥0und ξ≠1, oder durch Messung der Phasenverschiebung zwischen einer quasi-statisch und stetig (insbesondere harmonisch) zeitmodulierten Generationsrate G(t) und der resultierenden Überschussladungsträgerdichte Δn(t). Dieser Fall einer stetigen Zeitmodulation entspricht einer Superposition infinitesimaler Änderungen der Generationsrate mit variabler zeitlicher Dichte (Grenzwert ξ→1).Dynamic and differential measurement here refers to the determination of the carrier relaxation time τ M, i , either by measuring the relaxation time of the excess charge carrier density after an abrupt change in the generation rate of free charge carriers G i → ξ. G i with a bias light parameter ξ≥0 and ξ ≠ 1, or by measuring the phase shift between a quasi-static and continuous (in particular harmonic) time-modulated generation rate G (t) and the resulting excess charge carrier density Δn (t). This case of continuous time modulation corresponds to a superposition of infinitesimal changes of the generation rate with variable time density (limit value ξ → 1).
Beim Messen der Abklingzeit ist die Wahl eines Biaslichtparameters ξ<1 üblich, da üblicherweise die Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einem sehr kurzen Lichtpuls mit im Vergleich zur Bias-Beleuchtung sehr geringer Intensität gemessen wird. Denkbar wäre aber auch die Messung der Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einer abrupten Erhöhung der Generationsrate, die sich mit einem ξ>1 beschreiben ließe. Vorzugsweise wird hierbei ξ hinreichend klein gewählt, so dass der Nenner
In beiden Fällen ist die Messung dynamisch, da sich die Messgröße aus der zeitabhängigen Antwort eines Experiments ableitet. In beiden Fällen ist die Messung differentiell, da gezeigt werden kann, dass sowohl o.g. Relaxationszeit als auch o.g. Phasenverschiebung genau der Änderung der Überschussladungsträgerdichte pro Änderung der Generationsrate freier Ladungsträger entsprechen.In both cases, the measurement is dynamic because the measurand is derived from the time-dependent response of an experiment. In both cases, the measurement is differential, since it can be shown that both o.g. Relaxation time as well o.g. Phase shift correspond exactly to the change in the excess charge carrier density per change in the generation rate of free charge carriers.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt die Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer τ0,i (i=1,2) bei der Überschussladungsträgerdichte Δni (i=1,2) abhängig von den in Verfahrensschritt A bestimmten Messgrößen τM,1, G1, sowie mindestens τM,2 und G2.In a method step B, the actual carrier lifetime τ 0, i (i = 1,2) at the excess charge carrier density Δn i (i = 1,2) is determined as a function of the measured variables τ M, 1 , G 1 determined in method step A. , as well as at least τ M, 2 and G 2 .
Wesentlich ist, dass im Verfahrensschritt A die Ladungsträger-Relaxationszeit zM,i als charakteristische Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einer Änderung der Generationsrate Gi→ξ· Gi mit einem Parameter ξ≠1 gemessen wird.It is essential that in step A, the carrier relaxation time z M, i is measured as a characteristic relaxation time of the excess charge carrier density after a change in the generation rate G i → ξ · G i with a parameter ξ ≠ 1.
Die möglichen Ausprägungen der Änderung der Generationsrate sind im Folgenden genau bezeichnet:The possible variants of the generation rate change are specified below:
Einerseits kann es sich dabei um eine finite, vorzugsweise geringfügige, und abrupte Änderung der Generationrate handeln (also idealerweise eine instantane Änderung, d.h. mit unendlich kurzer Zeitverzögerung). In der Praxis muss die Änderung auf einer sehr viel kürzeren Zeitskala als der Ladungsträger-Relaxationszeit erfolgen, damit die Ladungsträger -Relaxation zu jedem interessierenden Zeitpunkt unter zeitlich konstanter Generation freier Ladungsträger erfolgt. Diese Ausprägung schließt auch Lichtpulse (etwa Laserpulse) ein, die eine zeitlich konstante Generationsrate freier Ladungsträger überlagern, und deren Schaltzeit sehr viel kürzer ist als die Ladungsträger-Relaxationszeit.On the one hand, this may be a finite, preferably small, and abrupt change in the generation rate (ideally an instantaneous change, i.e. with an infinitely short time delay). In practice, the change must be made on a much shorter time scale than the carrier relaxation time for charge carrier relaxation to occur at any point of interest under constant free-carrier generation. This expression also includes light pulses (such as laser pulses), which superimpose a time-constant generation rate of free charge carriers, and whose switching time is much shorter than the carrier relaxation time.
Andererseits kann es sich dabei um eine stetige, vorzugsweise harmonische, und vorzugsweise quasi-statische Änderung der Generationsrate freier Ladungsträger handeln. Quasi-statisch bezeichnet hier eine signifikante Variation der Generationsrate auf einer Zeitskala sehr viel größer als der Ladungsträger-Relaxationszeit. Diese Ausprägung entspricht dem Grenzfall ξ →1.On the other hand, it may be a continuous, preferably harmonic, and preferably quasi-static change of the generation rate act free carrier. Quasi-static here means a significant variation of the generation rate on a time scale much larger than the carrier relaxation time. This characteristic corresponds to the limiting case ξ → 1.
Weiterhin wesentlich ist, dass in Verfahrensschritt B die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer τ0,i (i=1,2) anhand eines analytischen Zusammenhangs zwischen τ0,i und den Messgrößen τM,i und Gi (i=1,2) bestimmt wird.Furthermore, it is essential that in method step B, the actual carrier lifetime τ 0, i (i = 1,2) based on an analytical relationship between τ 0, i and the measured variables τ M, i and G i (i = 1,2) is determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit erstmals die Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer τ0 bei der ersten Überschussladungsträgerdichte Δn1 und der zweiten Überschussladungsträgerdichte Δn2, ohne dass eine Messung bei Überschussladungsträgerdichten Δn kleiner dem Minimum von Δn1 und Δn2 notwendig ist und insbesondere ohne dass über solche Messdaten integriert werden muss.The inventive method thus allows for the first time the determination of the actual carrier lifetime τ 0 at the first excess carrier density Δn 1 and the second excess carrier density Δn 2 , without a measurement at excess carrier densities Δn smaller than the minimum of Δn 1 and Δn 2 is necessary and in particular without that must be integrated via such measurement data.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit ein schnelles, hinsichtlich der Konvergenz robustes und somit kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer eines Halbleitersubstrates aus einer dynamischen und differentiellen Messung der Ladungsträger-Relaxationszeit dar.The method according to the invention thus represents a fast method, which is robust with regard to convergence and thus cost-effective, for determining the actual charge carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the charge carrier relaxation time.
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt B die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer τ0,i (i=1,2) abhängig von dem analytischen Zusammenhang gemäß Formel 1
Untersuchungen des Anmelders haben ergeben, dass für viele Anwendungen in Verfahrensschritt B die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer für die interessierenden Überschussladungsträgerdichten Δn1 und Δn2 als linear abhängig von der Überschussladungsträgerdichte angenommen werden kann.Applicant's investigations have shown that for many applications in method step B, the actual carrier lifetime for the excess carrier densities Δn 1 and Δn 2 of interest can be assumed to be linearly dependent on the excess carrier density.
Vorzugsweise wird daher in Verfahrensschritt B die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer zumindest für die zuvor spezifizierten Arbeitspunkte Δni (i=1,2) als linear abhängig von der Überschussladungsträgerdichte Δn angenommen. Hierdurch wird eine weitere Vereinfachung und Beschleunigung des Verfahrens erzielt.Therefore, in method step B, the actual carrier lifetime is preferably assumed to be linearly dependent on the excess charge carrier density Δn, at least for the previously specified operating points Δn i (i = 1, 2). This achieves a further simplification and acceleration of the method.
Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, die Ladungsträger-Lebensdauer als linear abhängig mit einer Konstante k gemäß Formel 2
Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Annahme einer linearen Abhängigkeit der Ladungsträger-Lebensdauer von der Überschussladungsträgerdichte in den zuvor spezifizierten Arbeitspunkten ist es insbesondere vorteilhaft, ein Gleichungssystem basierend auf Formel 1 und Formel 2 zur Bestimmung der unbekannten Größen τ0,i (i=1,2) und k zu lösen. Hierdurch kann auf an sich bekannte algebraische Verfahren zur Lösung eines linearen Gleichungssystems mit Unbekannten zurückgegriffen werden.In this preferred embodiment of the method according to the invention, assuming a linear dependence of the charge carrier lifetime on the excess charge carrier density in the previously specified operating points, it is particularly advantageous to use a system of equations based on Formula 1 and Formula 2 for determining the unknown quantities τ 0, i (i = 1,2) and k to solve. This makes it possible to resort to known algebraic methods for solving a linear system of equations with unknowns.
Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Gleichungssystem umfassend nachfolgende Formeln 3 und 4 aufzustellen:
In einer alternativen vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt B eine iterative Bestimmung der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer τ0,i. Diese vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist den Vorteil auf, dass auch in Fällen, in welchen eine erhebliche nicht lineare Abhängigkeit der tatsächlichen Ladungsträger-Lebensdauer von der Überschussladungsträgerdichte an den spezifizierten Arbeitspunkten vorliegt, exakte Messergebnisse erzielt werden können.In an alternative preferred embodiment of the method according to the invention, an iterative determination of the actual charge carrier lifetime τ 0, i takes place in method step B. This preferred embodiment of the method according to the invention has the advantage that exact measurement results can be achieved even in cases in which there is a considerable non-linear dependence of the actual charge carrier lifetime on the excess charge carrier density at the specified operating points.
Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Iteration, umfassend folgende Iterationsschritte, durchzuführen:In particular, it is advantageous to carry out an iteration comprising the following iteration steps:
In einem Iterationsstart j=0 wird eine erste Approximation der tatsächlichen Lebensdauer τ0,i,j=0 mit der differentiell gemessenen Ladungsträger-Relaxationszeit τM,i gleichgesetzt, gemäß Formel 5:
Weiterhin wird für jeden Iterationsschritt j > 0 eine fiktive differentielle Lebensdauer τM,i,j bestimmt, vorzugsweise gemäß Formel 6:
Für jeden Iterationsschritt j >0 erfolgt weiterhin eine Abschätzung der tatsächlichen Lebensdauer τ0,i,j+1, vorzugsweise gemäß Formel 7:
Das Iterationsverfahren wird fortgesetzt, bis ein vorgegebenes Abbruchkriterium erfüllt ist.The iteration process continues until a predetermined abort criterion is met.
Vorzugsweise wird das Iterationsverfahren fortgesetzt, bis die relative Abweichung einer mittels Formel 6 in dem aktuellen Iterationsschritt bestimmten fiktiven Relaxationszeit τM,i.j von der gemessenen Relaxationszeit TM,i kleiner als ein vorgegebener Wert ist, insbesondere eine relative Abweichung kleiner 1%, vorzugsweise kleiner 0.1%. Typischerweise genügen (z.B. bei einem Faktor ε=0.05) 50-150 Iterationsschritte für eine hinreichend genaue Bestimmung der tatsächlichen Lebensdauer.Preferably, the iteration process is continued until the relative deviation of a fictitious relaxation time τ M, ij determined by formula 6 in the current iteration step from the measured relaxation time T M, i is less than a predetermined value, in particular a relative deviation of less than 1%, preferably smaller 0.1%. Typically, 50-150 iteration steps suffice (eg with a factor ε = 0.05) for a sufficiently accurate determination of the actual service life.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Anwendung von harmonisch zeitmodulierten Photolumineszenz-Messungen geeignet. Insbesondere stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung des in
Das erfindungsgemäße Verfahren ist - wie in o.g. Spezifikation der Anregungsbedingungen erwähnt - nicht auf harmonisch zeitmodulierte Photolumineszenz-Messungen beschränkt. Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei allen Messverfahren anwenden, welche
- i) entweder aus der Messung der Abkling- oder Relaxationszeit der Überschussladungsträgerdichte nach einem Lichtpuls oder einer abrupten finiten, vorzugsweise geringfügigen Änderung der Generationsrate freier Ladungsträger,
- ii) oder aus der Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer stetig (vorzugsweise harmonisch) zeitmodulierten Generationsrate und der resultierenden Überschussladungsträgerdichte auf die tatsächliche Ladungsträger-Lebensdauer schließen.
- i) either from the measurement of the decay or relaxation time of the excess charge carrier density after a light pulse or an abrupt finite, preferably slight change in the generation rate of free charge carriers,
- ii) or from the measurement of a phase shift between a continuous (preferably harmonic) time-modulated generation rate and the resulting excess charge carrier density on the actual carrier lifetime.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren bei
- i) Messungen des Photoleitfähigkeitsabklingens unter Bias-Beleuchtung (etwa via Mikrowellenreflexion, oder induktiv über elektrische Suszeptibilitätsmessung unter Radiofrequenz-Anregung), oder bei
- ii) stetig zeitmodulierten Messungen der Ladungsträger-Relaxationszeit (etwa via Absorption freier Ladungsträger (MFCA) oder via Lumineszenz)
- i) measurements of photoconductive decay under bias illumination (such as via microwave reflection, or inductively via electrical susceptibility measurement under radio-frequency excitation), or at
- ii) continuously time-modulated measurements of the charge carrier relaxation time (eg via absorption of free charge carriers (MFCA) or via luminescence)
Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt A die Ladungsträger-Injektion in dem Halbleitersubstrat mittels Beaufschlagen des Halbleitersubstrates mit elektrischer Spannung und/oder mit elektromagnetischer Strahlung und die Generationsrate und die differentielle Ladungsträger-Relaxationszeit wird mittels Messen der vom Halbleitersubstrat emittierten Lumineszenzstrahlung bestimmt.In method step A, the charge carrier injection in the semiconductor substrate is preferably carried out by applying electrical voltage and / or electromagnetic radiation to the semiconductor substrate, and the generation rate and the differential carrier relaxation time are determined by measuring the luminescence radiation emitted by the semiconductor substrate.
Vorzugsweise erfolgt in Verfahrensschritt A eine zeitlich stetige, vorzugsweise stetig differenzierbare, Modulation der Ladungsträger-Injektion. Insbesondere ist es vorteilhaft, eine quasi-statische harmonische Zeitmodulation, vorzunehmen. In diesem Fall kann die differentielle Ladungsträger-Relaxationszeit τM,i als Phasenverschiebung zwischen Generationsrate und Überschussladungsträgerdichte bestimmt werden, analog zu dem in
Weitere Vorteile und vorzugsweise Ausführungsformen werden nachfolgend anhand von
Zu dem tatsächlichen Lebensdauerverlauf τ0(Δn), in
Mittels eines in
Die resultierende tatsächliche Lebensdauer ist in
Ebenfalls in
Gleiche Variablen bezeichnen im Zuge dieser Anmeldung gleiche physikalische Größen.Identical variables designate the same physical quantities in the course of this application.
Claims (14)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013202480.0A DE102013202480B4 (en) | 2013-02-15 | 2013-02-15 | Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers |
PCT/EP2014/051933 WO2014124821A1 (en) | 2013-02-15 | 2014-01-31 | Method for determining the actual charge carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013202480.0A DE102013202480B4 (en) | 2013-02-15 | 2013-02-15 | Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013202480A1 DE102013202480A1 (en) | 2014-08-21 |
DE102013202480B4 true DE102013202480B4 (en) | 2019-03-07 |
Family
ID=50033538
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102013202480.0A Active DE102013202480B4 (en) | 2013-02-15 | 2013-02-15 | Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013202480B4 (en) |
WO (1) | WO2014124821A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106526505B (en) * | 2016-10-14 | 2019-07-09 | 北京东方计量测试研究所 | Alternating current steady voltage plug non-linear belt loading capability characteristic test method and system |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011134602A1 (en) | 2010-04-30 | 2011-11-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for determining material parameters of a doped semiconductor substrate by measuring photoluminescent radiation |
-
2013
- 2013-02-15 DE DE102013202480.0A patent/DE102013202480B4/en active Active
-
2014
- 2014-01-31 WO PCT/EP2014/051933 patent/WO2014124821A1/en active Application Filing
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011134602A1 (en) | 2010-04-30 | 2011-11-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for determining material parameters of a doped semiconductor substrate by measuring photoluminescent radiation |
Non-Patent Citations (16)
Title |
---|
A.G. Aberle, J. Schmidt, and R. Brendel, J. Appl. Phys. 79, 1491 (1996) |
A.G. Aberle, J. Schmidt, and R. Brendel, J. Appl. Phys. 79, 1491 (1996) und J. Schmidt, IEEE Transactions on Electron Devices 46, 2018 (1999) |
Armin G. Aberle et al.: On the data analysis of lightbiased photoconductance decay measurements. In: Appl Phys. Vol 79, No. 3, 1996, S. 1491 - 1496. * |
F. Sanii, F.P. Giles, R.J. Schwartz, and J.L. Gray, Solid-State. Electronics 35, 311 (1992) |
J. A. Giesecke et al.: Self-sufficient minority carrier lifetime in silicon from quasi-steady-state photoluminescence. In: Phys. Stat. Sol. A 209, No. 11, 2012, S. 2286 - 2290. * |
J. Schmidt: Measurement of Differential an Actual Recombination Parameters on Crystalline Silicon Wafers. In: IEEE Transaction on Electron Devices 46, Vol. 46, No. 10, 1999, S. 2018 - 2025. * |
J.A. Giesecke et al., Phys. Stat. Sol. A 209, 2286 (2012) |
J.A. Giesecke, M.C. Schubert, and W. Warta, Phys. Stat. Sol. (a) 209, 2286 (2012 |
J.A. Giesecke, M.C. Schubert, D. Walter, and W. Warta, Appl. Phys. Lett. 97, 092109 (2010) |
R. Brendel, Appl. Phys. A 60, 523 (1995) und J. Schmidt, IEEE Transactions on Electron Devices 46, 2018 (1999) |
R. Brendel: Note on the interpretation of injection-level-dependent surface recombination velocities. In: Appl. Phys. A60, 1995, S. 523 - 524. * |
R. Brüggemann and S. Reynolds, J. Non-Cryst. Solids 352, 1888 (2006) |
S. W. Glunz and W. Warta, J. Appl. Phys. 77, 3243 (1995) |
S.W. Glunz, A.B. Sproul, W. Warta, and W. Wettling, J. Appl. Phys. 75, 1611 (1994) |
T. Trupke et al., Appl. Phys. Lett. 87, 184102 (2005) |
T. Trupke et al.: Self-consistent calibration of photoluminescence and photoconductance lifetime measurements. In: Appl. Phys. Lett. 87, 2005, S. 184102-1 - 184102-3. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014124821A1 (en) | 2014-08-21 |
DE102013202480A1 (en) | 2014-08-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102013202289B4 (en) | Method and arrangement for driving a wavelength-tunable laser diode in a spectrometer | |
DE112020000969T9 (en) | Analysis of electrochemical impedance spectra using phase angle symmetry versus logarithm of frequency | |
DE112020001884T5 (en) | PHOTO-HALL SYSTEM RESOLVING CARRIERS AND PROCEDURE FOR IT | |
DE2656080A1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING AT LEAST ONE PARAMETER OF AN AUTOCORRELATION FUNCTION | |
DE2359527A1 (en) | METHOD AND ARRANGEMENT FOR CAPACITY MEASUREMENT | |
DE102008054517A1 (en) | Scattering functions of large signals from orthogonal phase measurements | |
EP1203961A1 (en) | Process for measuring the resistance and inductivity of a line | |
DE102013202480B4 (en) | Method for determining the actual carrier lifetime of a semiconductor substrate from a dynamic and differential measurement of the relaxation time of free charge carriers | |
EP1095285B1 (en) | Method and device for determining the dependence of a first measured quantity on a second measured quantity | |
DE202019102278U1 (en) | Arrangement for measuring electrical and dielectric properties of a material | |
EP2848918B1 (en) | Gas analyser | |
DE60220431T2 (en) | METHOD FOR MEASURING THE HALFWAVE VOLTAGE OF AN OPTICAL MODULATOR OF THE MACH-TENDER TYPE | |
EP3596451A1 (en) | Apparatus for characterizing the electrical resistance of a measurement object | |
DE102019117989B3 (en) | Device for non-contact voltage measurement | |
DE10240243A1 (en) | Current measurement arrangement, comprising two current sensors for low and high current ranges, has zero point drift compensation based on combined evaluation of current measurements from both sensors | |
EP2656086A1 (en) | Method for the contactless determination of an electrical potential using an oscillating electrode, and device | |
DE102009048155B4 (en) | Method and apparatus for determining a strain profile in an optical fiber | |
DE2021811C3 (en) | Device for measuring the dielectric constant of substances | |
DE2915104C2 (en) | Extensometer | |
DE102022127043B4 (en) | Drift compensation for a sensor measuring the concentration of a substance in a fluid | |
EP2976651B1 (en) | Device for determining the charge carrier lifetime of a semiconductor substrate by measuring luminescent radiation and calibration method for calibrating such a device | |
EP2820437B1 (en) | Method for determining a relationship between two sinusoidally periodically varying variables and diagnosis device | |
EP4194830A1 (en) | Resistive and capacitive force sensor and method for operating the same | |
DE102020126419A1 (en) | thermometer | |
WO2024068106A1 (en) | Method for estimating the slip in an asynchronous motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R084 | Declaration of willingness to licence |