SK288652B6 - Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures - Google Patents

Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures Download PDF

Info

Publication number
SK288652B6
SK288652B6 SK95-2014A SK952014A SK288652B6 SK 288652 B6 SK288652 B6 SK 288652B6 SK 952014 A SK952014 A SK 952014A SK 288652 B6 SK288652 B6 SK 288652B6
Authority
SK
Slovakia
Prior art keywords
sample
signal
measuring
depth profile
semiconductor structures
Prior art date
Application number
SK95-2014A
Other languages
Slovak (sk)
Other versions
SK952014A3 (en
Inventor
Róbert Brunner
Original Assignee
Róbert Brunner
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Róbert Brunner filed Critical Róbert Brunner
Priority to SK95-2014A priority Critical patent/SK288652B6/en
Publication of SK952014A3 publication Critical patent/SK952014A3/en
Publication of SK288652B6 publication Critical patent/SK288652B6/en

Links

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

The device consists of a washer (2) with a sample (1) opposite to which is placed a spectrometer (3) with an optical input (4), a light source (5) with a collimator (6) for irradiating the sample (1) located on a rotatable arm (7) allowing the angle at which the light beam from the light source (5) strikes the sample (1) to be varied.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Zariadenie sa týka merania fotoluiniiiisceíicie (PL) planámych terikovrstvových štruktúr solárnych článkov vyrobených na báze kremíka. Tieto štruktúry pozostávajú z tenkých vrstiev deponovaných na rovinnej podložke. Pri aplikácii zariadenia nie je nevyhnutná podrobná znalosť štruktúry vzorky. Tento princíp môže byť využitý aj pre štruktúry' planámeho typu vyrobené z inýc h polovodičových materiálov, než je kremíkThe device relates to the measurement of photolytic radiation (PL) of silicon-based solar cell-based ternary-layer structures. These structures consist of thin layers deposited on a flat support. When applying the device, detailed knowledge of the sample structure is not necessary. This principle can also be applied to structures of the flame type made of semiconductor materials other than silicon

Doíersijší stav technikyThe prior art

PL spektroskopia predstavuje nekontaktnú, selektívnu a extrémne citlivú metódu na charakterizovanie diskrétnych elektrických stavov vo vzorke. Využíva sa pri nej žiarivá rekombinácia párov elektrón -diera, ktoré sú generované budiacim optickým signálom Pri meraní vzoriek, v ktorých je distribúcia opticky' aktívnych centier zodpovedných za vznik PL signálu hĺbkovo závislá, je pre správnu interpretáciu výsledkov potrebné poznať ich lokalizáciu vo vzorke. Ich koncentrácia sa často mení v miestach, kde sa mení zloženie materiálu, napríklad v oblasti priliehajúcej k rozhraniu deponovaných vrstiev, v blízkosti podložky', alebo povrchu vzorky. V závislosti od druhu a koncentrácie centier sa môžu zložky PL signálu, ktoré pochádzajú z rôznych oblastí vzorky, medzi sebou líšiť. Dochádza k lomu v dôsledku efektívnej zmeny šírky·' optického zakázaného pásu. Jedným z mechanizmov, ktoré sa v tomto ohľade považujú za dominantné, je tzv. efekt kvantového uväznenia („qmmtutn confínentent effect“), ktorý je spôsobený obmedzením pohyblivosti nosičov náboja v dôsledku prítomnosti zŕn nanokry Statického kremíka s veľkosťou niekoľkých nanotretrov. Tieto zrná vznikajú počas depozičného procesu a ich rozmery a koncentrácia závisia od technologických parametrov. Spektrum ibtoluminiscenčného signálu je ovplyvňované intenzitou budiaceho zväzku. Zvyčajne sa uplatňuje Shockíey-Read-Hallova rekombinácia (skrátene S-R-H), pri ktorej fotoexcitované nosiče rekombimriú na diskrétnych defektoch a nečistotách lokalizovaných na rozhraniach a v objeme polovodiča. Intenzita PL signálu. pri S-R-H procese je priamo úmerná intenzite budiaceho signálu. Okrom S-R-H procesu, sa môžu vo vzorke pozorovať aj ďalšie, ktoré stí spôsobované viacčasticovými interakciami a ich intenzita narastá s drahou (dvojčasticové procesy), resp. treťou mocninou intenzity budiaceho signálu (Augerovská rekombinácia). Typická, hodnota, pri ktorej sú tieto procesy pozorovateľné, je okolo 5 W/crn2 a závisí od druhu polovodiča a ďalších faktorov.PL spectroscopy is a non-contact, selective, and extremely sensitive method for characterizing discrete electrical states in a sample. It utilizes radiant recombination of electron-hole pairs generated by the excitation optical signal When measuring samples in which the distribution of the optically active centers responsible for the PL signal generation is deeply dependent, it is necessary to know their location in the sample to correctly interpret the results. Their concentration often varies at places where the composition of the material changes, for example in the area adjacent to the interface of the deposited layers, near the substrate, or the sample surface. Depending on the type and concentration of the centers, the components of the PL signal that come from different regions of the sample may differ from one another. Fracture occurs as a result of an effective change in the width of the optical band. One of the mechanisms considered dominant in this respect is the The quantum trap effect (qmmtutn confínentent effect), which is caused by the limitation of the mobility of the charge carriers due to the presence of nanocrystals of Static silicon with a size of several nanometers. These grains are formed during the deposition process and their dimensions and concentration depend on technological parameters. The spectrum of the ibtoluminescence signal is influenced by the intensity of the excitation beam. Usually, Shockie-Read-Hall recombination (abbreviated SRH) is applied in which photoexcited carriers recombimate on discrete defects and impurities located at the interfaces and in the semiconductor volume. Intensity of PL signal. in the SRH process it is proportional to the intensity of the excitation signal. In addition to the SRH process, others may also be observed in the sample, due to multiparticulate interactions and their intensity increases with the pathway (two-particle processes), respectively. the third power of the excitation signal intensity (Auger recombination). Typically, the value at which these processes are observable is about 5 W / cm 2 and depends on the type of semiconductor and other factors.

Z optického hľadiska sa môžu považovať deponované vrstvy' za izotropné a homogénne. Vplyv dopovania (vytváranie vrstiev p-, n- a intrinzických) na index lomu je zanedbateľný, ale v prípade foraxtvania beteroštruktúr sa optické vlastnosti jednotlivých vrstiev medzi sebou môžu líšiť.From an optical point of view, the deposited layers can be considered to be isotropic and homogeneous. The influence of doping (formation of p-, n- and intrinsic layers) on the refractive index is negligible, but in the case of foretertetering of theeter structures, the optical properties of the individual layers may differ from one another.

Polovodivé materiály majú značnú absorpciu svetla. Penetračná hĺbka vo všeobecnosti dosahuje hodnotu približne 1 .cSemiconducting materials have considerable light absorption. The penetration depth is generally about 1 c

Komerčné PL spektrometre dodáva viacero firiem, z ktorých možno uviesť napríklad Honba, Oxtbrd Instrunienls, Janis, AZO ΝΑΝΟ alebo Photon etc. Ide o zariadenia, ktoré umožňujú meranie makroskopických a/alebo mikroskopických vzoriek s rozmentri až na nanometrovej úrovni. Súčasťou zariadení býva kryostat na meranie pri nízkych (až héliových) teplotách. Štandardné aparatúry' umožňujú mapovať luminiscenciu plošných vzoriek, ale ich optické systémy' sú určené na získavanie dvojrozmerných dát a nie je známe, že by dokázali získavať aj hĺbkový profil signálu potrebný na vyšetrovanie nehomogénnych vzoriek. Istú možnosť v tomto smere poskytujú nikroluminiscenčné aparatúry, ktoré sa takisto nachádzajú v ponuke väčšiny uvedených firiem. S nimi je však možné analyzovať sigtiái len z veľmi obmedzenej oblasti vzorky.Commercial PL spectrometers are supplied by several companies, including Honba, Oxtbrd Instrunienls, Janis, AZO ΝΑΝΟ or Photon etc. These are devices that allow the measurement of macroscopic and / or microscopic samples with diffusers down to the nanometer level. A cryostat for measuring at low (to helium) temperatures is included. Standard apparatuses 'allow mapping of luminescence of areal samples, but their optical systems' are designed to acquire two-dimensional data and are not known to be able to obtain the depth profile of the signal needed to investigate inhomogeneous samples. A certain possibility in this respect is provided by the nickel-luminescent apparatuses, which are also offered by most of the above-mentioned companies. With them, however, signals can be analyzed only from a very limited area of the sample.

Navrhnuté zariadenie je schopné merať PL signál na väčšej ploche, ktorej rozmery' sú ohraničené v podstate len intenzitou budiaceho zdroja a vstupným otvorom detektora. Jeho primárnym cieľom nie je vytvárať trapu PL signálu, ale určiť hĺbku oblasti, z ktorej PL. signál prichádza, s cieľom identifikovať jeho zdroj.The proposed device is capable of measuring a PL signal over a larger area, the dimensions of which are limited essentially only by the intensity of the excitation source and the inlet opening of the detector. Its primary objective is not to generate a trap of the PL signal, but to determine the depth of the area from which the PL. the signal is coming to identify its source.

Podstata vynálezu!SUMMARY OF THE INVENTION!

Aktívne centrá vznikajú v procese depozície polovodičovej vrstvy, ich výskyt je podmienený tak: kinetikou rastu vrstvy, ako aj vplyvom podložky', prípadne už predtým deponovanej vrstvy.Active centers arise in the process of deposition of a semiconductor layer, their occurrence is determined by both the growth kinetics of the layer and the influence of the substrate or the previously deposited layer.

Podstatou vynálezu je využitie závislosti relatívnej intenzity osvetlenia v rôznych vrstvách vzorky na uhle, pod ktorý m na vzorku dopadá šikmý budiaci zväzok: Toto usporiadame umožňuje meranie hĺbkového profilu PL signálu, čo predstavuje jeho originálny prínos. V prípade S-R-H procesu je generovaný PL signál úmerný tejto intenzite. V dôsledku absorpcie platí pre intenzitu rovinnej vlny šíriacej sa v absorbujúcom prostredí Lambert-Beerov zákon, ktorý pre šikmý dopad možno napísať v tvare:The object of the invention is to use the dependence of the relative intensity of illumination in different layers of the sample on the angle below which the oblique excitation beam falls on the sample: This arrangement allows to measure the depth profile of the PL signal, which represents its original benefit. In the case of the S-R-H process, the PL signal generated is proportional to this intensity. Due to the absorption, the Lambert-Beer law, which can be written in the form of an oblique impact, applies to the intensity of the plane wave propagating in the absorbing environment:

l{h) ::: ŕ(0)exp(-« h/COS ψ),l {h) ::: (0) exp (- «h / COS OS),

S K 288652 B6 kde I(h), 1(0} sú intenzity vo vzorke v hĺbke h, resp. 0 pod povrchom, a je absorpčný koeficient prostredia a φ je uhol medzi normálou na povrch vzorky a smerom, ktorým sa šíri vlna.S K 288652 B6 where I (h), 1 (0} are the intensities in the sample at depth h and 0 below the surface, respectively, and is the absorption coefficient of the environment and φ is the angle between normal to the sample surface and the wave propagation direction.

Vyhodnocovanie merania je založené na vyšetrovaní zmeny spektra meraného PL signálu v závislosti od zmeny smeru ožarovacteho zväzku, ktorý predstavuje budiaci signál. Pri nakiáňaní zväzku sa predlžuje dráha vo vzorke, ktorú musí svetlo prekonať na dosiahnutie určitej hĺbky. Dôsledkom je, že s rastúcim φ sa budiaci signál v hlbších vrstvách zoslabuje viac v porovnaní s plytšie lokalizovanými vrstvami.The measurement evaluation is based on investigating the change in the spectrum of the measured PL signal as a function of the change in the direction of the beam that represents the excitation signal. When the beam is tilted, the trajectory in the sample is extended, which the light must overcome to reach a certain depth. As a result, with increasing φ, the excitation signal in the deeper layers attenuates more compared to shallower localized layers.

Pri aplikácií metódy sa predpokladá, že vzorka má vrstevnatú štruktúru. Optické parametre každej vrstvy sú podľa predpokladu za konštantné, zatiaľ čo medzi hrúbkami vrstiev môžu byť rozdiely. Rôzna môže byť aj efektivita generovania PL signálu v jednotlivých vrstvách štruktúry, na zisťovanie ktorej zariadenie slúži.When applying the method, it is assumed that the sample has a layered structure. The optical parameters of each layer are assumed to be constant, while there may be differences between layer thicknesses. The efficiency of generating the PL signal in the individual layers of the structure for detecting which device is used may also be different.

Ako budiaci signál sa používa rovnobežný zväzok úzkopásmového (prakticky monochromatického) svetla, čo umožňuje zanedbať disperzné javy. Vlnová dĺžka budiaceho zväzku nie je kritická, energia fotónov však musí postačovať na aktiváciu vyšetrovaných PLprocesov vo vzorke.A parallel beam of narrow-band (virtually monochromatic) light is used as an excitation signal, which allows the dispersion phenomena to be neglected. The wavelength of the excitation beam is not critical, but the photon energy must be sufficient to activate the investigated PL processes in the sample.

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Na obr. 1 je znázornený priečny rez vzorky, ktorá je ožarovaná svetelným zdrojom Na obr. 2 je znázornené zariadenie na meranie hĺbkového profilu fotolutniniscenčného signálu v tenkovrstvových polovodičových štruktúrach.In FIG. 1 is a cross-sectional view of a sample that is irradiated with a light source; FIG. 2 shows a device for measuring the depth profile of a photoluminescence signal in thin-film semiconductor structures.

Príklady uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Vynález pôvodne vznikol ako súčasť riešenia grantového projektu, neskôr bol dopracovaný spôsob vyhodnocovania experimentálnych dát. K fyzickej realizácii zariadenia nedošlo v dôsledku nedostatku financií, činnosť zariadenia je však založená na technikách, ktoré sa v projekte využívali. Išlo najmä o PI. merania uskutočňované pri héliových teplotách. Konštrukcia aparatúry je pomerne jednoduchá, metóda môže byť implementovaná aj v existujúcom zariadení v podobe úpravy. Zostava zariadenia je schematicky' znázornená na obrázku 1. Jedinú cenovo náročnejšiu položku v u ej predstav uje spektrometer 3 a optická sústava.The invention originated as a part of the grant project solution, later the method of evaluation of experimental data was elaborated. The facility was not physically realized due to lack of funds, but the facility is based on the techniques used in the project. This was mainly PI. measurements taken at helium temperatures. The construction of the apparatus is relatively simple, the method can also be implemented in the existing equipment in the form of modification. The assembly of the device is shown schematically in Figure 1. The only more costly item is the spectrometer 3 and the optical system.

Principiálna schéma zariadenia je znázornená na obrázku L Vzorka 1 je upevnená na podložke 2 oproti spektrometru 3, ktorý' sníma eimtovaný PL signál. Spektrometer 3 je umiestnený tak, aby snímal luminiscenčný signál vystupujúci zo vzorky kolmo na jej povrch. Na jeho vstupe je kolimačná optická sústava 4, ktorá zabezpečuje fokusácíu signálu na vstup spektrometra 3. Vzorka je ožarovaná svetelným zdrojom 5, ktorým môže byť xenónová výbojka doplnená interferenčným filtrom alebo monochromátorom, prípadne to môže byť laser. Súčasťou svetelného zdroja je kolimátor 6, ktorý slúži na rozšírenie osvetľujúceho zväzku a zabezpečuje jeho rovnobežnosť. Zdroj 5 aj kolimátor 6 sú upevnené na otáčavom ramene 7, ktoré umožňuje osvetľovať povrch vzorky 1 pod premenlivým uhlom φ. Materiál vzorky 1 excítovaný v dôsledku ožiarenia vyžaruje PL žiarenie v istom rozsahu vlnových dĺžok. Toto žiarenie dopadá na spektrometer 3, výstup z ktorého predstavuje PL signál. Veľkosť meranej plochy vzorky 1 je ovplyvnená výstupnou pupiíou kolímárora 6 spolu so vstupnoupupilou fokusačnej optickej sústavy monochromátora.A schematic diagram of the apparatus is shown in Figure L. Sample 1 is mounted on a support 2 opposite to a spectrometer 3 which senses an emitted PL signal. The spectrometer 3 is positioned to sense the luminescence signal output from the sample perpendicular to its surface. At its input there is a collimating optical system 4, which provides focusing of the signal at the input of the spectrometer 3. The sample is irradiated by a light source 5, which may be a xenon lamp supplemented by an interference filter or monochromator, or it may be a laser. The light source includes a collimator 6, which serves to extend the illumination beam and ensure its parallelism. Both the source 5 and the collimator 6 are mounted on the rotating arm 7, which allows to illuminate the surface of the sample 1 at a variable angle φ. Sample 1 material excited as a result of irradiation emits PL radiation over a certain wavelength range. This radiation impinges on the spectrometer 3, the output of which is the PL signal. The size of the measured area of sample 1 is influenced by the exit pupil of the collimator 6 together with the inlet of the focusing optical system of the monochromator.

Priesnysdná wísžiteFrtos ťTransparent wrtžiteFrtos ť

Priemyselná využiteľnosť je zameraná na oblasť technológie polovodičových súčiastok, najmä na plazmovú depozíciu tenkých vrstiev, pri ktorej sa PL. spektroskopia využíva na charakterizáciu parametrov výrobného procesu. V súčasnosti najviac prichádza do úvahy technológia výroby solárnych článkov pre fbtovoítaiku a TFT prvkov pre LC displeje. Obe technológie sú v súčasnosti veľmi rozšírené vzhľadom na využiteľnosť ich aplikácií v energetike a informačnej technike. Umožňuje vykonávať kontrolu na väčšej ploche vzorky v laboratórnych i v priemyselných podmienkach.Industrial applicability is focused on the semiconductor technology, especially plasma deposition of thin films, where PL. spectroscopy is used to characterize the parameters of the production process. At present, the most suitable technology is the production of solar cells for fbtovoítiku and TFT elements for LC displays. Both technologies are currently very widespread due to the applicability of their applications in power and information technology. It allows to carry out the inspection on a larger area of the sample under laboratory and industrial conditions.

Claims (1)

PATENT O V É N ÁR O K ¥PATENT O V O N O R O K ¥ Zariadenie na meranie hĺbkového profilu tbtoluminiscenčného signálu v tenko vrstvových polovodičových štruktúrach, v y za až h j á c e sa t ý m, že pozostáva z podložky' (2) so vzorkou (1), oproti 5 ktorej je umiestnený spektrometer (3) so vstupnou optickou sústavou (4); svetelného zdroja (5) s kolimátorom (6) na ožarovanie vzorky (1) umiestneného na otáčavom ramene (7) umožňujúcom meniť uhol, pod ktorým svetelný zväzok zo zdroja (5) dopadá na vzorku (1).Apparatus for measuring the depth profile of a tbtoluminescence signal in thin-film semiconductor structures, consisting of a substrate (2) with a sample (1) opposite to which a spectrometer (3) with an optical input assembly (4); a light source (5) with a collimator (6) for irradiating the sample (1) located on the rotating arm (7) to vary the angle at which the light beam from the source (5) impinges on the sample (1).
SK95-2014A 2014-12-29 2014-12-29 Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures SK288652B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK95-2014A SK288652B6 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SK95-2014A SK288652B6 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SK952014A3 SK952014A3 (en) 2016-07-01
SK288652B6 true SK288652B6 (en) 2019-04-02

Family

ID=56195772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SK95-2014A SK288652B6 (en) 2014-12-29 2014-12-29 Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures

Country Status (1)

Country Link
SK (1) SK288652B6 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
SK952014A3 (en) 2016-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Irkhin et al. Absorption and photoluminescence spectroscopy of rubrene single crystals
ES2966745T3 (en) Quality inspection of thin film materials
CN104764711B (en) Terahertz Meta Materials bio-sensing chip and its method of testing
Liu et al. Single crystal diamond UV detector with a groove-shaped electrode structure and enhanced sensitivity
TW201205062A (en) Sample inspection device and sample inspection method
KR102141228B1 (en) Method and apparatus for measuring physical quantity of a thin layer using terahertz spectroscopy
US8300223B2 (en) Measurement device for the distribution of chemical concentration
US9080944B2 (en) Method and apparatus for surface mapping using in-plane grazing incidence diffraction
JP2009229239A (en) Particle size measuring device and method
US8717555B2 (en) Device and method for inspecting polycrystalline silicon layer
Shaughnessy et al. Carrier-density-wave transport property depth profilometry using spectroscopic photothermal radiometry of silicon wafers I: Theoretical aspects
Remes et al. The optical spectra of a-Si: H and a-SiC: H thin films measured by the absolute photothermal deflection spectroscopy (PDS)
JP5967201B2 (en) Void arrangement structure and measurement method using the same
Ivanov et al. Quality control methods based on electromagnetic field-matter interactions
SK288652B6 (en) Device for measuring the depth profile photoluminescent signal in the thin film semiconductor structures
Csontos et al. Ultrafast in-situ null-ellipsometry for studying pulsed laser–Silicon surface interactions
George et al. Photothermal deflection measurement on heat transport in GaAs epitaxial layers
CN106684009A (en) Measurement method
Maliński Comparison of three nondestructive and contactless techniques for investigations of recombination parameters on an example of silicon samples
US20160265910A1 (en) In-situ analysis of ice using surface acoustic wave spectroscopy
Doležal et al. Laser tests of silicon detectors
US9103659B1 (en) Method and system for junction depth identification for ultra shallow junctions
US20080219409A1 (en) Inspection method for thin film stack
Baek et al. Diffusion length and resistivity distribution characteristics of silicon wafer by photoluminescence
CZ309036B6 (en) Method and device for measuring the thickness of thin layers even on thick substrates

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of maintenance fees

Effective date: 20191229