WO2012084232A1 - Vorrichtung, produktionsanlage und verfahren zur charakterisierung von materialgrenzflächen mit thz - strahlung, und verwendung derselben - Google Patents

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WO2012084232A1 PCT/EP2011/006480 EP2011006480W WO2012084232A1 WO 2012084232 A1 WO2012084232 A1 WO 2012084232A1 EP 2011006480 W EP2011006480 W EP 2011006480W WO 2012084232 A1 WO2012084232 A1 WO 2012084232A1
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laser
terahertz
thz
detection unit
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PCT/EP2011/006480
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Stefan Nolte
Gabor MATTHÄUS
Patrick Hoyer
Kevin FÜCHSEL
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Friedrich-Schiller-Universität Jena
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Definitions

  • the present invention relates to a device for characterizing effects, which exerts a first material of a composite system on a second material of the composite system in the region of Grenzflä ⁇ surface of the two materials.
  • the characterization takes place with the aid of THz radiation emitted in the area of the material interface.
  • the investigated composite systems are, in particular, semiconductor layers and / or semiconductor composite systems whose interfaces between two semiconductor elements are to be investigated.
  • solar cells for example thin-film solar cells, can be investigated.
  • the present invention furthermore relates to a production plant with an ner device according to the invention, to a corresponding characterization and to inventive uses of such devices, production equipment or processes.
  • the imaging methods used are the camera-based electron luminescence measurement and the lock-in thermography.
  • scanning test setups are also used in which the solar cells are scanned locally.
  • the local distribution of the short-circuit current of a solar cell can be measured by means of light bea induces current (LBIC) or microwave-detected photoconductance decay (MW-PCD), whereby material and process-related lateral inhomogeneities can be investigated.
  • LBIC induces current
  • MW-PCD microwave-detected photoconductance decay
  • Modulated free carrier absorption varies and measures the absorption behavior by generating free charge carriers [2].
  • QSSPC quasi-steady state photoconductance
  • Electroluminescence is applied to the finished processed cell an electrical voltage [3]. As a result, excess charge carriers in the
  • the object of the present invention is now to further develop the devices and methods for characterizing materials known from the prior art, that interfacial effects in
  • Material or composite systems of multiple materials and / or that the energetic effect that exerts a first material of such a composite system on a second, adjacent material of the composite system, recorded and evaluated can / can.
  • the devices and methods according to the invention should also be usable in particular in production or process plants for the production and / or processing of composite material systems, in particular of semiconductor layer systems, in in-line operation.
  • the present invention will now be described in general terms, then in the form of an embodiment.
  • the particular device elements and / or method steps used in combination with one another in the exemplary embodiment need not be realized in the combination shown in the exemplary embodiment with one another within the scope of the present invention.
  • Said Koen ⁇ NEN the individual elements of the apparatus shown in the embodiment in other ways be combined or individual elements (such as the aforementioned, or specific elements of the tuning to be described below) can, depending on which material investigations are to be performed accurately and how the operation of the device according to the invention should be accurate, also be omitted.
  • an "energetic" effect which a first material of a composite material system exerts on a second material of the composite system adjoining the first material means any physical and / or chemical change in and / or on the second material, preferably directly in its interface region to the first material, which is or was caused by the first material, and in particular the energetic effect is changes in the crystal structure of the second material which result from the materially bonding of this material to the first material Material are caused by the first material in the second material.
  • electromagnetic radiation in the frequency range between 100 GHz and 10 THz, particularly in the region between 300 GHz and 3 THz is understood in the vorlie ⁇ constricting invention THz radiation.
  • this does not exclude that the present invention can also be used in wavelength ⁇ or frequency ranges which are gering She ⁇ gig outside of said frequency ranges.
  • an absorption coefficient is understood to be that quantity which corresponds to
  • An optical parametric oscillator is understood below to mean a radiation source which, based on a nonlinear medium (crystal), can generate light of a very narrow frequency spectrum (monochromatic light) with a high coherence length, the emission wavelength of the OPO being in a broad tuning range (FIG. predefined wavelength range) can be varied. For example, this may be the wavelength range between 300 nm and 2000 nm.
  • a tunable laser especially: titanium sapphire laser
  • other OPO-based structures than the laser system of the present invention can also be used, for example pump laser-operated single-resonance OPOs.
  • the present invention is based on the following
  • THz frequency range Terahertz (THz) frequency range can be excited.
  • excitation lasers with pulse durations shorter than 150 fs are used for this purpose.
  • the mechanism for generating these THz waves is based on low Pulse energies ( ⁇ 10 nJ) on the acceleration and deceleration of induced charge carriers within an electric field.
  • These fields are now naturally present at the interfaces to be investigated, for example the semiconductor interfaces, since the bond states at interfaces differ from those within the crystal volume due to the disturbed crystal structure.
  • perpendicular to the interface extending field strength gradients exert a force on free charge carriers are responsible for their accelerated movement.
  • band bending provides semiconductors with comparatively small bandgap and high electron mobilities
  • the Photo-Dember effect adds a second contribution to THz emission. This effect is based on the significantly different
  • the present invention is based on the laser radiation used for the THz emission not len communicatestrah- with belie ⁇ biger wavelength to the composite system but a targeted one at the two materials of the composite system, the interfacial effects are to be investigated, adapted emission wavelength of the laser radiation to choose.
  • the solid state properties of the two materials must (CKEN Bandlü- and absorption edges of the two materials) are taken into account in that the first of the two Ma ⁇ terialien with the selected emission wavelength mög ⁇ can be lichst irradiated undisturbed, while the radiation of this wavelength then behind the interface to the second material as optimal as possible, ie in the smallest possible depth, is absorbed in the second material.
  • the effect of the first material to the second material of the composite system to be examined so the side facing away from the second material side of said laser radiation emis sion ⁇ wavelength can advertising directed to the composite system T / EP2011 / 006480
  • This emission wavelength then passes through the first material almost undisturbed and is then absorbed in the interface region to the second material by the second material at a shallow depth behind the boundary surface to the first material.
  • Emission wavelength is thus selected so that the laser radiation is not absorbed at the surface of the composite system, but at a precisely defined depth directly in the interface region of the composite system and / or immediately behind the boundary of the first material to the second material in the latter.
  • Critical in the present invention is thus the use of a iststxmmbaren within a possible large predefined wavelength range laser system whose emission wavelength then according to the invention, can be set taking into account the concrete to un ⁇ tersuchenden materials of the composite system targeted manner so that the largest possible
  • Light intensity is absorbed exactly in the interface area and there contributes to the formation of THz radiation.
  • a table can be provided in a memory of the device according to the invention, which stores optimal emission wavelengths for the laser system used in the device for predefined composite systems and / or material combinations to be examined, each as described above.
  • the corresponding table values for the emission wavelength can be selected in accordance with the materials currently being investigated.
  • the laser system of the device can then be adjusted to the selected emission wavelength within its predefined, tunable wavelength range, so that the irradiation of the composite system can be carried out accordingly.
  • the optimal emission wavelengths for a concrete selected composite system or its materials can also be adjusted via a control unit of the device by hand.
  • a control unit of the device for example, comprising at a device of the invention production plant additionally lien a unit for automatically determining the two materi- one to be examined composite system vorgese ⁇ hen (eg, a mass spectrometer with entspre ⁇ sponding of evaluation). After examining the composite system in this unit and the corresponding determination of the two materials, the assignment of a suitable emission wavelength can then be carried out automatically on the basis of the above-described table.
  • the received signal strength of the THz signals detected in the detection unit of the device according to the invention is exactly at the emission wavelength of the laser system at the maximum the optimum compromise between maximum transparency in the first material and maximum absorption in the second material is met.
  • a device according to the invention for characterizing the energetic effect of the first material of the composite system on the second material of this composite system based on THz radiation emitted in the region of the material interface comprises the following elements: a laser system tunable within the predefined wavelength range.
  • the device further comprises a detection unit. This is designed for detecting and evaluating the THz signals (in particular: THz pulses) generated by the laser radiation in the composite system and emitted by the composite system.
  • THz signals in particular: THz pulses
  • the laser system has a tuning unit with which the emission wavelength of the laser system can be set to the wavelength of the predefined wavelength range of the laser system in which the ratio of the absorption coefficient of the first material and the absorption coefficient of the second material has the smallest possible value.
  • the tuning may also be formed so that ei ⁇ ne wavelength from within the predefined Wellendorfnbe is ⁇ rich adjustable, wherein the prescribed ratio a predefined value (which is smaller than 1.0 and may be, for example, 0:15 or 0:05) below.
  • the tuning unit can be a unit formed in the context of a computer, in particular a personal computer PC with corresponding memory units and programs stored therein, which is configured bidirectionally for controlling the laser system and for receiving currently set device parameters and / or other data of this laser system , Likewise, this computer system used for the tuner unit can also be used for control be used by the detection unit or be part of the same and / or be designed to evaluate the THz signals received with this unit. Likewise, further of the elements described below in the exemplary embodiment by means of this
  • the tuning unit comprises a memory in which one or more allocation table (s) is / are stored.
  • allocation table predefined, different composite systems or combinations of materials can each be assigned one or more wavelengths which satisfy the above-described condition (s) for the ratio of the absorption coefficients of two materials to be investigated.
  • the corresponding material combinations in the allocation table in the tunable predefined wavelength range of the laser system contained wavelength sections are assigned that meet this condition (s) approximately, then as described above by automatically traversing the individual wavelengths of these wavelength subregions the exact vom - Defining emission wavelength of the laser system can be determined and adjusted (fine adjustment).
  • the tuning unit additionally has a selection unit with which a composite system and / or 2-tuple to be concretely characterized is to be selected
  • the emission wavelength of the laser system (or the wavelength subrange for later fine-tuning) can be selected with a control unit of the tuning unit using at least one of the assignment tables.
  • the tuning unit may also include an input unit (e.g.
  • a control unit (which can be provided in addition to the control unit described above, but can also be the control unit described above) can use the emission wavelength (or the corresponding wavelength subrange) entered via the input unit to set the emission wavelength of the laser system accordingly ( or to preset to a corresponding wavelength subrange).
  • the corresponding control unit (s) may be one or more control programs (e) implemented in the memory of a computer system (s).
  • Laser type eg titanium-sapphire laser
  • OPO optical-initid laser
  • the optimal emission wavelengths can be dependent on physical and / or chemical environmental conditions (in particular: the instantaneous temperature of the composite system)
  • different assignment tables can be used for different physical and / or chemical environmental conditions be provided the voting unit.
  • the table to be used can be selected after measurements of the aforementioned ambient conditions using appropriate sensors (eg: temperature sensor).
  • the tuning unit has a wavelength range tuning unit with which the wavelengths can be selected from the specified wavelength subrange by continuously sweeping through the individual wavelengths of the wavelength subrange and for each of the even set wavelength with the detection unit, the received THz signal intensity is detected. For all wavelengths passed through, the received signal intensities are then compared with one another for fine adjustment, and that of the wavelengths traveled through is selected as the emission wavelength of the laser system that is to be adjusted, for which the received signal intensity is maximal.
  • a further advantageous device of the invention implements the tuning unit in conjunction with a spectrometer (for this purpose, in principle all commercially available spectrometers are suitable).
  • the spectro ⁇ meter is arranged such that with it the Transmis ⁇ sion spectra of the first material and the second material m2 ml can be determined.
  • the further implementation can then be made for example as follows:
  • the exhaust tuning unit is programmed so that the transmission curves are equalized of ml and m2 of the two Numbers ⁇ 's functions T m i ( ⁇ ) and T m2 (X).
  • a splitting of the beam path of the laser system takes place on an optical delay path and on an optical measuring path.
  • the sample volume containing the composite system to be characterized is arranged within the measurement path and the beam paths of the optical delay path and the measurement path are merged on the radiation output side in the detection unit in such a way that the time profile of the received THz signals can be detected and evaluated with the detection unit.
  • the detection unit may be a phase-sensitive THz detector (in particular: photoconductive antenna system).
  • the detection unit can thus be designed as part of a THz time-range spectrometer.
  • THz lenses and / or focusing units with parabolic mirrors for THz signals can be used, which are arranged in the measuring beam path in front of the detection unit.
  • the construction of such THz lenses or focusing units is known to the person skilled in the art as well as the configuration of optical delay paths.
  • the tunable laser system of the invention may comprise, in addition to a laser, in particular a tunable titanium sapphire laser, an optical parametric oscillator (OPO) which widens the tunable wavelength range of this laser.
  • OPO optical parametric oscillator
  • the Tunable laser system can be designed as an OPO-based system, in particular as a single-resonance OPO system. Particularly advantageous is a predefined, tunable wavelength range between about see 300 nm and 2000 nm, in which the emission wavelength of the laser system can be set as described above.
  • the laser system are preferably laser pulses with a duration of ⁇ 150
  • the detection unit may be different include, for example in the form of formed in a memory of the detection unit or a nersystem its associated accounting programs stored subunits as follows and / or as follows ⁇ be formed:
  • the duration of a received THz pulse can be determined and evaluated, the duration of the rising edge or the falling edge of a received THz pulse can be evaluated, or further time-dependent quantities of the received THz signal can be evaluated, for example the gradient the time increase or decrease of such edge.
  • one or more sensor (s) is / are provided, with the / the one or more physical and / or che mix size (s) in the sample volume and / or the composite system itself is / is measurable ,
  • a temperature sensor for measuring the temperature currently prevailing in the sample volume or in the composite system can be provided.
  • Pressure sensors for measuring a pressure in a chamber enclosing the sample volume are also conceivable.
  • the tuning unit of the device is designed so that the emission wavelengths of the laser system is adjusted not only taking into account the materials of the composite system that have actually been examined, but also that the currently measured values of this physical and / or chemical quantity (s) are taken into account .
  • the detection unit can also be designed such that the Detecting and / or evaluating the received THz signals taking into account the detected measured values takes place.
  • a unit for example a cooling chamber or a pressure chamber
  • a unit for example a cooling chamber or a pressure chamber
  • the device according to the invention can advantageously be provided in connection or as a subsection of a production plant (in particular: an in-line production plant), which serves for producing and checking corresponding composite material systems.
  • a production plant in particular: an in-line production plant
  • these can be production systems for producing and checking semiconductor layer systems such as solar cell elements, thin-film solar cell elements, organic or non-organic light-emitting diodes or microchips.
  • the optimal emission wavelength is to be determined again after this exchange and the further evaluation is carried out as described above) by the respective other material and characterize with high accuracy.
  • inventive approach ⁇ is, as part of an in-line system (producti ⁇ onsstrom) realized.
  • defects, problems or defects which occur according to the invention in coatings of a material with another material can be detected safely and spatially resolved, and if desired, also in-line.
  • This can be realized in the solar cell production insbeson ⁇ particular, in the present invention, short measuring times for the characterization of the finished solar cell allows (or at intermediate steps in the manufacture thereof) and makes electrically-critical defects visible.
  • electronically active layers can be characterized during production and for quality assurance. -
  • the proposed technique can be used in almost all responsible for the application of absorber layers industrial environments.
  • a spatially resolved in-line control in the manufacture of LEDs during the deposition of the active layers can take place. Also, a locally resolved control of the deposition processes during the manufacture of microchips is possible.
  • Figures la and lb In schematic form the structure of two exemplary devices according to the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic representation for the selection of the optimal emission wavelength range.
  • Figure 6 The optical transmission at ZnO for different substrate temperatures.
  • FIG. 7 shows a relationship between the incident laser pulse, the generated photocurrent and the emitted THz pulse and a subdivision of the THz field strength profile.
  • Figure 8 An example of a demonstration of the polarity of the electromagnetic field at the interface of the composite system in different composite systems.
  • FIG. 10 A comparison of the THz emission for different semiconductor recombination times and corresponding THz spectra.
  • Figure 11 A in a memory of the ablegbare before ⁇ lying device allocation table having a plurality of defined composite systems including the respective associated optimum emission wavelength for a titanium sapphire laser with OPO in tunable prede ⁇ -defined wavelength range [300 nm, 2000 nm].
  • FIG. 1 a shows an example of a measurement setup according to the invention (device according to the invention), which is realized in the form of a THz time domain spectrometer is.
  • the phase-sensitive THz detection units photoconductive antenna 3) necessary for this purpose are generally known to the person skilled in the art in terms of their construction.
  • FIG. 1 a shows a titanium sapphire laser-based laser system 1, which is designed as a tunable laser system 1.
  • the titanium sapphire oscillator or laser la produces ultrashort laser pulses L in the wavelength range of approximately 700 to 1100 nm emission wavelength with a pulse duration ⁇ 150 fs, here with approximately 100 fs.
  • the above-described wavelength range between 700 and 1100 nm is applied to the predefined, tunable wavelength range of the laser system
  • the OPO 17 is based on a nonlinear crystal (eg LiNb0 3 , BBO, ...) with the help of which a difference frequency conversion is carried out.
  • the crystal is pumped with high intensity laser radiation (usually fs or ps pulses).
  • high intensity laser radiation usually fs or ps pulses.
  • other wavelength bands appear during pumping besides the attenuated pump wavelength.
  • these are called idlers and signal.
  • phase matching In order to efficiently transfer energy from the pump wavelength to the idler wavelength (or signal wavelength), phase matching must be realized such that pump and
  • phase adaptation different methods can be used. For example, rotating the crystal axis (angular phase adjustment), changing the crystal temperature, or periodically poled crystals.
  • the crystal is within an optical resonator, which in the simplest case is resonant for only one frequency, either idler or signal, depending on which wavelength is to be amplified. (single-resonant OPO 17).
  • single-resonant OPO 17 Alternatively, however, also double-resonant OPOs 17, in which the resonator for idler and signal is constructed resonant, can be used. Due to the resonator effect, the energy of the resonant wavelength increases with each rotation, so that a parametric amplification with comparatively efficient frequency conversion is achieved.
  • the preferred wavelength of idler is realized via phase matching within the crystal and / or via wavelength selective elements (e.g., optical gratings).
  • the laser pulses L emitted by the laser system 1 become is irradiated to a beam splitter 18, with the aid of which the beam path of the laser system 1 on a delay path line beam path 12 (optical delay path) and on a measuring beam path (optical measuring section 13) is divided.
  • the optical delay path 12 comprises a delay unit 19 which allows a change in the phase position based on a plurality of adjustable mirror units 20a, 20b (the basic structure of such a unit 19 is known to the person skilled in the art) before the laser radiation is transmitted via further, fixed mirror units 20c and 20c 20d is irradiated to the photoconductive antenna used as the detection unit 3.
  • the structure of such photoconductive antennas is known in the art.
  • the split by the beam splitter 18 on the measuring beam 13 laser beam portions are so directed into the sample volume 2, that they are arranged on the sample volume to be examined Verbundsys ⁇ tem V to herein as silicon substrate m2 on which an ITO film ml applied is, is educated, falls.
  • the interface g between silicon m2 and ITO ml is specifically investigated in the sample volume 2.
  • the optimal wavelength A R in the above-described sense is here, cf.
  • Figs. 2, 3 and 4, (at 20 ° C and atmospheric pressure) X R 400 nm.
  • the sample volume 2 is designed as the internal volume of a cooling chamber 16, so that the composite system V can be kept within the cooling chamber 16 at a predefined temperature and examined.
  • the beam entrance window of the cooling chamber 16 (in the beam path in front of the sample volume 2) is transparent for wavelengths in the range 300 nm to 2000 nm, the beam output window (in the beam path between sample volume 2 and photoconductive antenna
  • the beam output window one can use high-resistance silicon, diamond or various plastics (e.g., PE, TPX, ).
  • a temperature sensor 15 For detecting the current temperature of the composite ⁇ system or the sample volume 2, a temperature sensor 15 is provided ⁇ . With this sensor 15 gemes ⁇ sene instantaneous temperature can then (see FIG. Below) may be used to select the optimum for this temperature emission wavelength X R (for example, can see below, different for different tempera ⁇ structures allocation tables 8 may be provided). Also, when detecting and evaluating the emitted THz radiation by the detection unit 3 can be considered (eg by appropriate calibration) the currently prevailing temperature.
  • This computer system has a memory 7 EP2011 / 006480
  • the PC 4 now comprises a program-based selection unit 9, with which, based on the with the sensor
  • the emission wavelength of the laser system with the aid of a laser la and OPO 17 tuning control unit 10 of the tuning unit 4 can be adjusted to the specific selected value A R.
  • the PC 4 has an input unit (mouse or keyboard 5), with which, taking appropriate knowledge of the two materials just examined ml and m2 and the currently prevailing temperature, the optimal emission wavelength ⁇ R can be entered manually.
  • another, second control unit 6 of the PC 4 (which, however, can also be embodied as a combined control unit in combination with the above-described control unit 10) regulates the emission wavelength of the laser system 1 by appropriate adjustment of the elements 1a, 17.
  • the tuning unit 4 is provided with a wavelength range tuning unit 11, which by appropriate control of the elements la, 17 after preselection of a wavelength subregion from the wavelength range 300 nm to 2000 nm units 5 to 10 (for example, a subarea between 700 nm and 900 nm can be selected beforehand) allow continuous passage of all wavelengths of the selected wavelength subrange.
  • the THz signal intensity emitted at this wavelength by the composite system V and detected in the detector 3 is detected and recorded.
  • the wavelength from the wavelength subrange of eg 700 nm to 900 nm, in the Detector 3 receives the maximum signal intensity is then set (fine adjustment) as the optimal emission wavelength ⁇ R of the system 1.
  • further adjustment possibilities are conceivable for the optimal emission wavelength A R :
  • the sample volume can be realized within the scope of a measurement volume of a device with which the materials m 1 and m 2 of the composite system V can be determined. Based on this determination, 8 h R can then be determined automatically by means of the tables.
  • This may be e.g. to be a mass spectrometer with the help of which the materials ml and m2 can be determined automatically by measuring the composite system V.
  • an analysis of material interfaces in solar cell systems can take place in which the received THz pulses with regard to the spatial extension and polarity of the interface field, the carrier lifetime, the carrier density and / or the surface roughness (degree of polishing) of the measured composite systems V are evaluated.
  • the composite systems V can be cooled down to cryogenic temperatures: charge carrier mobility, lifetime and property of the interface field are generally dependent on the temperature of the materials investigated, so that investigations should advantageously be carried out at different temperatures to make truly unambiguous statements to be able to.
  • cooling of the composite systems has the advantage that side effects such as thermal noise, scattering at phonons (indirect energy transitions) and / or thermal occupations of higher energy levels are suppressed.
  • the cooling chamber 16 need not be provided, but may also be omitted in particular in in-line operation, if the corresponding production plant construction for the provision of such a cooling chamber 16 is not suitable.
  • FIG. 1b shows a further example of a device according to the invention. This is fundamentally the same as the device shown in FIG. 1 a, so that only the differences are described below:
  • the OPO 17 is in the measuring path in the beam path after the beam splitter 18 and before the sample volume 2 or the cooling chamber 16 arranged.
  • the frequency conversion is performed by the OPO only after the beam splitter 18 in the generator.
  • This arrangement is distinguished from the arrangement shown in Fig. La by the advantage that with different wavelengths, the THz radiation can be generated, while the THz detector (detection unit 3) can always be operated with the same wavelength.
  • Phase sensitive THz receiver as shown in Fig. Lb ge ⁇ showed photoconductive antenna generally show a strong dependence on the laser wavelength. This is due to the absorption properties of the semiconductors. For this reason, it is particularly advantageous to the
  • the absorption wavelength and the emission wavelength of the laser system 1 is so inserted ⁇ provides that as much laser beam intensity on the surface of the silicon material, so immediacy ⁇ bar according to the interface with the first material landfill, ned, that is, where the influence of the
  • the interface field has the highest field strength and thus just the desired directional acceleration of the charge carriers, which lead to the THz emission, allows.
  • FIG. 2 shows the degree of absorption in silicon at different depths as a function of the emission wavelength ⁇ of the laser system 1.
  • FIG. 3 shows the THz field strengths (THz pulses) generated for the different wavelengths shown in FIG.
  • FIG. 4 shows an example of the procedure according to the invention in the case of the composite system comprising an ITO layer (material ml) on a silicon substrate (material m2), as is typical of a typical example
  • Thin-film solar cell composite system corresponds.
  • the interface field is here limited to a few nanometers depth to a few micrometers depth in the silicon. Only in this area can THz radiation be generated efficiently in silicon. Due to the transmission behavior of ITO or of the first material, the excitation occurs optimally at 400 nm (see Figure 4 (a), which shows that free charges with a wavelength of 400 nm are generated directly at the interface, so that efficient THz rays can be generated and emitted).
  • the wavelength ⁇ R 400 nm, the transparency for ITO very large (ie, the absorption coefficient al very small), here about 80% to 90%, on the other hand, the silicon shows a strong absorption here (ie the absorption coefficient a2 of silicon is here very large) or short absorption lengths. If, for example, one would irradiate with a longer laser wavelength ⁇ (see FIG. 4 (b)), fewer electrons would be generated in the interface influence area g due to the weaker absorption in the silicon, so that THz radiation could only be generated in an inefficient manner , An excitation at 1000 nm thus leads to a weak absorption in the silicon.
  • Figure 6 shows an example of the dependence of the transmittance of different emission wavelengths ⁇ at ZnO at different temperatures (ZnO is often used as an electrically conductive cover layer in semiconductor devices as well as ITO: it serves on the one hand, the encapsulation of the components and on the other hand, the electrical contact - or fulfills a number of other tasks).
  • ZnO is often used as an electrically conductive cover layer in semiconductor devices as well as ITO: it serves on the one hand, the encapsulation of the components and on the other hand, the electrical contact - or fulfills a number of other tasks).
  • Figure 6 is seen to be different, the optical properties (transmittance, or absorption coefficient) of ZnO as a function of temperature clearly:
  • temperatures in the range between 150 ° C and 250 ° C typically process ⁇ temperatures in the ZnO move deposition or machining ⁇ tung
  • the temperature on the basis of measurements 15 should be taken into account accordingly.
  • FIG. 7 shows how the detection unit 3 (for example, by a plurality of subprograms in a memory section of the PC 4, which then with the photoconductive
  • Antenna or the detection unit 3 is connected to the evaluation of the detected by the detection unit 3 THz signals, not shown here; in this case, this memory section of the PC 4 is then to be considered as part of the detection unit 3) can be designed to detect the detected THz signals for characterization.
  • the composite system whose materials ml, m2 and / or its interface g are to be used.
  • FIG. 7 (a) shows a relationship between the laser pulse L, the photocurrent generated in the interface region g of the composite system V and the THz pulse emitted by the interface region g over time.
  • the current intensity is coupled directly to the two materials of the composite system V (for example, in the case of semiconductors to semiconductor parameters such as doping, charge carrier mobility and recombination time), indirectly information on material parameters of the materials ml, m2 can be obtained via the emitted and detected THz fields win.
  • THz field strength can be calculated from the THz emission, the direction and strength of Bandverbie ⁇ supply at semiconductor interfaces, such as between n-doped InP and P-doped InP, analyze in Figure 1 by means of the inventive device.
  • Figure 7 (b) which I. the Untertei ⁇ development of a THz field strength gradient in different temporal portions see FIG. To V shows
  • Figure 7 (b) can then individual time Liehe portions of the THz field strength profile or the time course of received THz pulses, ge ⁇ secretes be evaluated, because the data associated with the THz generation and emission physical processes generally occur staggered.
  • the first section I shows the generation of free charge carriers in the course of time of the THz pulse received according to FIG. 7 (b) as a function of the time profile of the applied laser pulse.
  • the increasing photocurrent is determined mainly by the photon density used, the absorption behavior of the absorbing material m2, the strength of the existing energy band bending in the material m2 by the material ml and the mobility of the released charge carriers.
  • Section II Outlines that, due to the decreasing photon density, only a few charge carriers are generated in the interface region g. In particular, onset of phonon and Coulomb scattering processes cause an increasing delay of the charge carrier movement.
  • Section III. showing that region (intersection with the abscissa) in which the acceleration and deceleration of the charge carrier ⁇ cancel straight.
  • the negative edge (in From ⁇ Section IV.) Of the THz pulse is then dominated solely by the delay and the recombination. In From ⁇ cut V all released charge carriers are recombined, which is excited by the laser pulse L Ver ⁇ composite system returned to its original state.
  • the number of free charge carriers, the polarity and strength of the interface area and the charge carrier duration can be determined. Different material properties may possibly have effects on the shape of the THz pulse; before ⁇ geous enough, this is taken into account.
  • calculations can be carried out that take into account the material properties in their sizes (eg in the form of Monte Carlo simulations).
  • a comparison with THz emissions of known samples can be made.
  • the rising edge (ie the rise) is largely independent of the material and is determined by the duration of the laser pulse. The steeper, the shorter the laser pulse.
  • the amplitude of II mainly determines the polarity of the field strength, the strength, La ⁇ makers number and their mobility.
  • the course of IV is determined solely by the delay of the charge carriers in the material. The more pronounced / longer the course, the longer the La makers are lifetimes ⁇ .
  • the natural interface fields can be compensated due to the charge carrier separation. This leads to a standstill of the charge carrier flow and the negative section IV goes back to 0 very quickly. This means that the shorter this section is, the smaller are the lifetimes and / or a particularly large number of free carriers with high mobilities have been generated.
  • FIG. 10 (a) The fact that the charge carrier recombination time only has an increased effect on the generated THz field strength starting from the time interval II is illustrated by FIG. 10 (a).
  • THz field strengths emitted for three different recombination times are calculated.
  • various LT GaAs samples grown at different temperatures 250 ° C, 400 ° C, 700 ° C were examined.
  • LT GaAs has not always the same recombination (LT is "low temperature grown"). The lower the temperature ⁇ temperatures at which the crystal was grown, the more lattice defects are present, with the result that the recombination of generated charge carriers are less . causes beyond the extended time decay behavior of the THz field strength for a long recombination times ⁇ that the THz spectra constrict and move to shorter wavelengths ( Figure 10 (b)).
  • FIG. 8 shows how the polarity of the electromagnetic field at the boundary surface g can be investigated in the context of a detection unit 3 (eg by means of one of the subunits described above) suitable for analyzing the time profile of received THz pulses:
  • a detection unit 3 eg by means of one of the subunits described above
  • the measured curves shown in FIG. 8 are thus emitted THz pulses of differently processed solar cells.
  • samples 181 and 182 show distinctly opposite polarities (181: positive polarity, 182: negative polarity).
  • Sample 181 during processing, the
  • the following further material parameters and / or properties can be derived on the basis of the THz pulses recorded in a time-resolved manner:
  • the charge carrier lifetime alone can be measured from the falling edge (time range III, see FIG. 7 (b)) of the THz pulse, since this range is based solely on the recombination behavior of the semiconductor (s) results in the interface region.
  • the rising edge is determined in such short-carrier lifetime materials by the excitation laser (laser pulse duration) and is material independent.
  • the Whole pulse width of the received THz pulse are considered, since here the released photocurrents (moving charge carriers) accumulate in time, so even after the action of the laser pulse L continue to rise. For such materials, therefore, the rising edge must also be considered.
  • the amplitude of the out of the interface region g radiated THz field is influenced by the Auskoppeleffizi ⁇ enz, by the Laserstrahleinkopplung and by the field lines in the boundary region g. These properties are co-determined by surface roughness of the semiconductors at the interface. Sequence ⁇ Lich facilitate analysis of the THz field (amplitude or spectrum by Fourier transform) the measurement of the surface conditions of the materials. Ahead of this, identical semiconductors with different known surface roughness are performed by ⁇ usually calibration measurements.
  • a program for controlling the device according to the invention can also undergo the following work steps (fine adjustment of the optimal emission wavelength X R ): 1. Manual setting of a coarse frequency range, for example via the units 5, 6.
  • a flow area of the interface field is A flow area of the interface field.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Charakterisierung der energetischen Wirkung, die ein erstes Material eines Verbundsystems, insbesondere eines Halbleiterschichtsystems, von zwei unterschiedlichen Materialien im Bereich der Materialgrenzfläche zwischen den beiden Materialien auf das zweite Material des Verbundsystems ausübt, auf Basis von im Bereich der Materialgrenzfläche emittierter THz-Strahlung.

Description

VORRICHTUNG, PRODUK IONSANLAGE UND VERFAHREN ZUR CHARAKTERISIERUNG VON MATERIALGRENZFLÄCHEN MIT THZ-STRAHLUNG, UND VERWENDUNG DERSELBEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Wirkungen, die ein erstes Material eines Verbundsystems auf ein zweites Material des Verbundsystems im Bereich der Grenzflä¬ che der beiden Materialien ausübt. Die Charakterisierung erfolgt mit Hilfe von im Bereich der Materialgrenzfläche emittierter THz-Strahlung. Bei den untersuchten Verbundsystemen handelt es sich insbesondere um Halbleiterschichten und/oder Halbleiterverbundsysteme, deren Grenzflächen zwischen zwei Halbleiterelementen untersucht werden sollen. Insbesondere können Solarzellen, beispielsweise Dünnschichtsolarzellen, untersucht werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüberhinaus auf eine Produktionsanlage mit ei- ner erfindungsgemäßen Vorrichtung, auf ein entsprechendes Charakterisierverfahren und auf erfindungsgemäße Verwendungen solcher Vorrichtungen, Produktionsanlagen oder Verfahren.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren zur Charakterisierung von Materialien, insbesondere von Halbleitermaterialien bzw. Parameter derselben bekannt.
Ein wichtiger Parameter bei der Charakterisierung von Solarzellen ist die Ladungsträgerlebensdauer. Für prozessierte Solarzellen gibt es bislang verschiedene Analyseverfahren. Als abbildende Verfahren sind die kamerabasierte Elektronenlumineszenzmessung und die Lock-In-Thermografie zu nennen. Darüber hinaus werden ebenfalls scannende Messaufbauten verwendet, bei denen die Solarzellen lokal abgerastert werden. So kann z.B. mittels light bea induces current (LBIC) oder microwave-detected photoconductance decay (MW-PCD) die örtliche Verteilung des Kurzschlussstroms einer Solarzelle gemessen werden, wodurch material- und prozessbedingte laterale Inhomogenitäten untersucht werden können.
Daneben gibt es derzeit noch andere Ansätze zur Cha¬ rakterisierung von noch nicht fertig prozessierten Solarzellen- afern . Zum einen wird die Photolumineszenz untersucht [1], zum anderen wird mittels
modulated free carrier absorption (MFCA) das Absorptionsverhalten durch Erzeugung freier Ladungsträger variiert und vermessen [2] . Wie bei der MW-PCD wird bei der quasi steady State photoconductance (QSSPC) die Ladungsträgerlebensdauer durch die optische Generation von freien Ladungsträgern und der Messung der Überschussladungsträgerdichte bestimmt. Bei der in situ Charakterisierung von DünnschichtSolarzellen gibt es die folgenden Verfahren: Bei
Elektrolumineszenzaufnahmen (EL) wird an die fertig prozessierte Zelle eine elektrische Spannung angelegt [3] . Dadurch werden Überschussladungsträger in das
Halbleitermaterial injiziert, von denen ein Teil strahlend, das heißt, unter Emission eines Photons rekombiniert. Die so entstehende Lumineszenzstrahlung wird mit einer CCD-Kamera auf der gesamten Zellfläche simultan und ortsaufgelöst gemessen. In diesem Bereich sind Messsysteme käuflich erhältlich. Diese Messungen sind nur bei bereits prozessierten Wafern möglich. Bei Photolumineszenzaufnahmen (PL) werden die Überschussladungsträger durch Beleuchtung mit Laserlicht entsprechender Wellenlänge generiert [4].
Da keine elektrischen Kontakte notwendig sind, können auch Zellvorläufer in jedem beliebigen Produktionsstadium bzw. auch der unbehandelte Ausgangswafer charakterisiert werden. An Zellvorläufern ohne Metalli- sierung wird mit PL gualitativ die Lebensdauer der durch Beleuchtung erzeugten Ladungsträger gemessen, die auch für die diodische Qualität der fertigen Solarzelle wichtig ist. Bei der in-line-Kontrolle wäh¬ rend der Abscheidung ist die hohe Intensität der Hin- tergrundstrahlung durch die Beschichtungsvorgänge ein limitierender Faktor. Kritisch ist die Empfindlich¬ keit der Messung für Faktoren, die nicht mit der Leistungsfähigkeit der Zellen in Verbindung gebracht werden können. Darüber hinaus können Diffusionen von Elektronen innerhalb der Schicht nicht richtungsan¬ hängig nachgewiesen werden. Siehe hierzu auch:
[1] D. Hinken et al.: „Determination oft he
effictive diffusion length of Silicon solar cells from photoluminescence" , Journal of Applied Physics, vol. 105 pp. 104516/1-6 (2009).
[2] http: //www . ecn . nl/docs/library/report/1997/ rx97028.pdf.
[3] M. Glatthaar et al.: "Spatially resolved deter- mination of the dark Saturation current of Silicon solar cells from electroluminescence images", Journal of Applied Physics, vol. 105, pp . 113110/1-6 (2009).
[4] P. Würfel et al.: "Diffusion lengths of Silicon solar cells from luminescence images", Journal of Applied Physics, vol. 101 pp. 123110/1-10 (2007). Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, in einem Material durch Einstrahlung von Laserpulsen THz- Emissionen auszulösen und die ausgelösten THz-Signale zu detektieren, um daraus Rückschlüsse über das die THz-Signale emittierende Material zu ziehen: Y.-S. Lee: „Principles of terahertz science and technolo- gy", Springer-Verlag Berlin/Heidelberg (2009) , und P.U. Jepsen et al.: „Generation and detection of terahertz pulses from biased semiconductor antennas", Journal of the Optical Society of America B, vol. 13, pp. 2424-2436 (1996) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zum Charakterisieren von Materialien dahin- gehend weiterzubilden, dass Grenzflächeneffekte bei
Material- bzw. Verbundsystemen aus mehreren Materialien und/oder dass die energetische Wirkung, die ein erstes Material eines solchen Verbundsystems auf ein zweites, angrenzendes Material des Verbundsystems ausübt, erfasst und ausgewertet kann/können. Aufgabe ist es dabei insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen die Grenzflächeneffekte von Verbundsystemen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien (hierbei kann es sich insbeson- dere um HalbleiterschichtSysteme umfassend Schichten unterschiedlicher Halbleitermaterialien handeln) mit- tels an oder im Bereich der Grenzflächen und/oder in einem oder in beiden Materialien, die an den Grenzflächen aneinander stoßen, erzeugter THz-Strahlung erfasst und ausgewertet werden können. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren sollen dabei insbesondere auch in Produktions- oder Prozessanlagen zur Herstellung und/oder Bearbeitung von Material- Verbundsystemen, insbesondere von Halbleiterschichtsystemen, im In-Line-Betrieb einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch eine Produktionsanlage gemäß Anspruch 9 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen; erfindungsgemäße Verwendungen sind im Anspruch 11 beschrieben .
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst allgemein, dann in Form eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die im Ausführungsbeispiel in Kombination miteinander eingesetzten speziellen Vorrichtungselemente und/oder Verfahrensschritte (beispielsweise das Vorsehen eines Polarisators oder einer THz-Linse) müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in der im Ausführungsbeispiel gezeigten Kombination miteinander verwirklicht werden. So kön¬ nen die einzelnen Elemente der im Ausführungsbeispiel gezeigten Vorrichtung auch auf andere Art und Weise miteinander kombiniert werden oder einzelne Elemente (beispielsweise die vorgenannten oder auch spezifische Elemente der nachfolgend noch beschriebenen Abstimmeinheit) können, abhängig davon, welche Materialuntersuchungen genau durchgeführt werden sollen und wie die Bedienung der erfindungsgemäßen Vorrichtung genau erfolgen soll, auch weggelassen werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer „energetischen" Wirkung, die ein erstes Material eines Material-Verbundsystems auf ein zweites, an das erste Material angrenzendes Material des Verbundsystems ausübt, jedwede physikalische und/oder chemische Veränderung im und/oder am zweiten Material, bevorzugt unmittelbar in dessen Grenzflächenbereich zum ersten Material, verstanden, die durch das erste Ma- terial verursacht wird oder wurde. Insbesondere handelt es sich bei der energetischen Wirkung um Änderungen in der Kristallstruktur des zweiten Materials, die durch das stoffschlüssige Verbinden dieses Materials mit dem ersten Material durch das erste Materi- al im zweiten Material bewirkt werden.
Sofern nichts anderes gesagt ist, wird in der vorlie¬ genden Erfindung unter THz-Strahlung elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 10 THz, insbesondere im Bereich zwischen 300 GHz und 3 THz verstanden. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die vorliegende Erfindung auch in Wellenlängen¬ bzw. Frequenzbereichen einsetzbar ist, die geringfü¬ gig außerhalb der genannten Frequenzbereiche liegen.
Erfindungsgemäß wird unter einem Absorptionskoeffizienten diejenige Größe verstanden, die gemäß
I(x)=Io * exp(-a · x) charakterisiert, nach welcher Eindringtiefe x Licht einer definierten Wellenlänge (Emissionswellenlänge λ ) auf 1/e-tel des Ausgangs¬ wertes abgefallen ist (I0 = auf das untersuchte Mate¬ rial eingestrahlte Lichtintensität, I(x) = nach der Eindringtiefe x in das besagte Material noch übrig bleibender, d.h. nicht absorbierter Intensitätsanteil der eingestrahlten Intensität I0 und λ = wellenlängenabhängiger Absorptionskoeffizient bei der unter- suchten Emissionswellenlänge λ )
Unter einem optisch parametrischen Oszillator (OPO) wird nachfolgend eine Strahlungsquelle verstanden, die, auf Basis eines nichtlinearen Mediums (Kristall), Licht eines sehr engen Frequenzspektrums (monochromatisches Licht) mit großer Kohärenzlänge erzeugen kann, wobei die Emissionswellenlänge des OPO in einem breiten Durchstimmbereich (vordefinierter Wellenlängenbereich) variiert werden kann. Beispielsweise kann es sich hierbei um den Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2000 nm handeln. Ein solcher OPO kann in Verbindung mit einem durchstimmbaren Laser (insbesondere: Titan-Saphir-Laser) das nachfolgend noch beschriebene Lasersystem der vorliegenden Erfindung ausbilden; es sind jedoch auch andere OPO- basierte Aufbauten als Lasersystem der vorliegenden Erfindung einsetzbar, so beispielsweise pumplaserbe- triebene Einzelresonanz-OPOs . Der grundsätzliche Auf- bau solcher OPOs ist dem Fachmann dabei bekannt, siehe hierzu z.B. die DE 10 2008 027 264 AI; das grund¬ legende Prinzip ist in J. Giordomaine v. R. Miller „Tunable coherent parametric oscillation in LiNb03 at optimal frequencies" , Phys . Review Letters, Vol. 14, No. 24, pages 973-976 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf folgenden
Grundüberlegungen : Mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse können verschiedene
Halbleiter und Halbleiterverbindungen zur Emission breitbandiger elektromagnetischer Impulse im
Terahertz (THz ) -Frequenzbereich angeregt werden. Typischerweise werden hierzu Anregungslaser mit Puls- dauern kürzer als 150 fs eingesetzt. Der Mechanismus zur Erzeugung dieser THz-Wellen basiert bei niedrigen Pulsenergien (< 10 nJ) auf der Beschleunigung und Verzögerung induzierter Ladungsträger innerhalb eines elektrischen Feldes. Diese Felder liegen nun auf natürliche Weise an den zu untersuchenden Grenzflächen, z.B. den Halbleitergrenzflächen vor, da sich aufgrund der gestörten Kristallstruktur die Bindungszustände an Grenzflächen von denen innerhalb des Kristallvolumens unterschei- den. Als Folge existieren senkrecht zur Grenzfläche verlaufende Feldstärkegradienten, die eine Kraft auf freie Ladungsträger ausüben für deren beschleunigte Bewegung verantwortlich sind. Zusätzlich zur Bandverbiegung liefert bei Halbleitern mit vergleichsweise kleiner Bandlücke und hohen Elektronenbeweglichkeiten
(z.B.: InAs, InSb, InN, etc.) der Photo-Dember-Effekt einen zweiten Beitrag zur THz-Emission . Dieser Effekt basiert auf den deutlich unterschiedlichen
Mobilitäten von Elektronen und Löchern. Folglich dif- fundieren freigesetzte Elektronen und Löcher in gleichen Zeitintervallen unterschiedlich weit in das In¬ nere des Halbleiters. Makroskopisch betrachtet bedeutet dies, dass aufgrund des Symmetriebruchs an der untersuchten Kristallgrenzfläche negativer und posi- tiver Ladungsschwerpunkt nicht mehr zusammenfallen und sich ein zeitlich veränderlicher elektrischer Dipol senkrecht zur Grenzfläche ausbildet. Die erzeugte THz-Feldstärke ist dabei direkt proportional zur zeitlichen Ableitung der Dipolstromstärke.
Bei der vorliegenden Erfindung werden nun Verbundsysteme aus zwei unterschiedlichen Materialien dahingehend untersucht, welchen Einfluss ein erstes Materi¬ al, das an ein zweites Material des Verbundsystems angrenzt, auf dieses zweite Material ausübt. Direkt an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Materialien 6480
9 kommt es aufgrund des Kontaktes zu einer Angleichung (Krümmung) der Energiebänder beider Materialien. Lokal befindet sich somit an bzw. im Bereich der Grenzfläche der beiden Materialien ein elektrisches Grenz- flächenfeld, das zur Beschleunigung von freien Ladungen und demnach, auf nachfolgend noch beschriebene Art und Weise, zur Erzeugung von THz-Strahlung im Bereich der Materialgrenzfläche eingesetzt werden kann. Über die Messung des gezielt im Grenzflächenbereich beider Materialien erzeugten THz-Feldes kann somit auf die Stärke des Grenzflächenfeldes, also auf den energetischen Einfluss des ersten Materials auf das zweite Material und somit auf Eigenschaften des Verbundsystems geschlossen werden.
Wie nachfolgend noch im Detail beschrieben wird, basiert die vorliegende Erfindung darauf, die zur THz- Emission eingesetzte Laserstrahlung nicht mit belie¬ biger Wellenlänge auf das Verbundsystem einzustrah- len, sondern gezielt eine an die beiden Materialien des Verbundsystems, deren Grenzflächeneffekte untersucht werden sollen, angepasste Emissionswellenlänge der Laserstrahlung zu wählen. Hierzu müssen die Festkörpereigenschaften der beiden Materialien (Bandlü- cken und Absorptionskanten der beiden Materialien) so berücksichtigt werden, dass das erste der beiden Ma¬ terialien mit der gewählten Emissionswellenlänge mög¬ lichst ungestört durchstrahlt werden kann, während die Strahlung dieser Wellenlänge dann hinter der Grenzfläche zum zweiten Material möglichst optimal, d.h. in möglichst geringer Tiefe, im zweiten Material absorbiert wird. Soll somit die Auswirkung des ersten Materials auf das zweite Material des Verbundsystems untersucht werden, so kann von der dem zweiten Mate- rial abgewandten Seite Laserstrahlung besagter Emis¬ sionswellenlänge auf das Verbundsystem gerichtet wer- T/EP2011/006480
10 den. Diese Emissionswellenlänge durchstrahlt dann das erste Material nahezu ungestört und wird dann im Grenzflächenbereich zum zweiten Material von dem zweiten Material in geringer Tiefe hinter der Grenz- fläche zum ersten Material absorbiert. Die gewählte
Emissionswellenlänge wird also so ausgewählt, dass die Laserstrahlung nicht an der Oberfläche des Verbundsystems absorbiert wird, sondern in genau definierter Tiefe unmittelbar im Grenzflächenbereich des Verbundsystems und/oder unmittelbar hinter der Grenze des ersten Materials zum zweiten Material in letzterem .
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist somit der Einsatz eines innerhalb eines möglichst großen, vordefinierten Wellenlängenbereiches durchstxmmbaren Lasersystems, dessen Emissionswellenlänge dann erfindungsgemäß, unter Berücksichtigung der konkret zu un¬ tersuchenden Materialien des Verbundsystems, gezielt so eingestellt werden kann, dass ein möglichst großer
Anteil der auf das Verbundsystem eingestrahlten
Lichtintensität genau im Grenzflächenbereich absorbiert wird und dort zur Entstehung von THz-Strahlung beiträgt .
Die Einstellung der Emissionswellenlänge auf eine Wellenlänge, die einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen maximaler Transparenz im ersten Material und maximaler Absorption im zweiten Material bietet, kann dabei manuell, semi-automatisch oder vollautomatisch erfolgen. So kann in einem Speicher der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Tabelle vorgesehen sein, die für vordefinierte, zu untersuchende Verbundsysteme und/oder Materialkombinationen jeweils wie vorbe- schrieben optimale Emissionswellenlängen für das in der Vorrichtung eingesetzte Lasersystem abspeichert. Mit einer geeigneten Auswahl- und/oder Eingabeeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können, entsprechend der gerade untersuchten Materialien, die entsprechenden Tabellenwerte für die Emissionswellenlän- ge ausgewählt werden. Das Lasersystem der Vorrichtung kann dann auf die ausgesuchte Emissionswellenlänge innerhalb ihres vordefinierten, durchstimmbaren Wellenlängenbereichs eingestellt werden, sodass die Bestrahlung des Verbundsystems entsprechend erfolgen kann.
Alternativ dazu können die optimalen Emissionswellenlängen für ein konkret ausgewähltes Verbundsystem bzw. dessen Materialien auch über eine Regeleinheit der Vorrichtung per Hand eingestellt werden. Auch andere Konfigurationen sind denkbar: So kann beispielsweise bei einer eine erfindungsgemäße Vorrichtung aufweisenden Produktionsanlage zusätzlich eine Einheit zum automatischen Bestimmen der beiden Materia- lien eines zu untersuchenden Verbundsystems vorgese¬ hen sein (z.B. ein Massenspektrometer mit entspre¬ chenden Auswertemöglichkeiten) . Nach Untersuchung des Verbundsystems in dieser Einheit und dem entsprechenden Feststellen der beiden Materialien kann dann an- hand der vorbeschriebenen Tabelle automatisch die Zuordnung einer geeigneten Emissionswellenlänge erfolgen .
Ebenso ist es möglich, z.B. anhand der vorbeschriebe- nen Tabelle, zunächst lediglich einen auf die beiden zu untersuchenden Materialien lediglich ungefähr passenden Wellenlängenteilbereich einzustellen (Grobab- gleich der Emissionswellenlänge) und dann anschließend, mithilfe einer geeigneten Durchstimmeinheit , die Wellenlängen dieses Wellenlängen-Teilbereichs des durchstimmbaren Wellenlängenbereichs des verwendeten 11 006480
12
Lasersystems zu durchfahren und die bei jeder Wellenlänge jeweils im Verbundsystem erzeugte THz-Signal- intensität zu detektieren. Da nun genau die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien aufgrund der dort vorliegenden Grenzflächeneffekte die höchste Feldstärke des elektrischen Feldes innerhalb des Verbundsystems aufweist, ist die empfangene Signalstärke der in der Detektionseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachgewiesenen THz-Signale genau bei derjenigen Emissionswellenlänge des Lasersystems maximal, bei der der optimale Kompromiss zwischen maximaler Transparenz im ersten Material und maximaler Absorption im zweiten Material erfüllt ist. Durch eine geeignete Regelung kann somit auf Basis der maximalen empfangenen THz-Signalintensität aus dem Wellenlängen-Teilbereich genau diejenige Emissionswellenlänge automatisch ermittelt werden, bei der der vorbeschriebene optimale Kompromiss vorliegt, also das Verhältnis des Absorptionskoeffizienten des ersten Materials und des Absorptionskoeffizienten des zweiten Materials den kleinstmöglichen Wert aufweist (au¬ tomatischer Feinabgleich der Emissionswellenlänge im vorgegebenen Wellenlängen-Teilbereich aufgrund der maximalen elektrischen Feldstärke des elektromagneti¬ schen Feldes an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien) .
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Charakterisierung der energetischen Wirkung des ersten Materials des Verbundsystems auf das zweite Material dieses Verbundsystems auf Basis von im Bereich der Material¬ grenzfläche emittierter THz-Strahlung umfasst die folgenden Elemente: ein innerhalb des vordefinierten Wellenlängenbereichs durchstimmbares Lasersystem.
Dieses ist bevorzugt zum Emittieren von Laserpulsen im Femtosekundenbereich ausgebildet. Des Weiteren ein EP2011/006480
13 im Strahlengang des Lasersystems liegendes Probenvolumen, in dem das Verbundsystem angeordnet ist. Das Verbundsystem kann dabei so angeordnet sein, dass die Laserstrahlung senkrecht auf das erste Material des Verbundsystems einfällt, ebenso ist jedoch ein in Bezug auf die bestrahlte Oberfläche des ersten Materials gesehen schräger Einfall der Laserstrahlung möglich. Die Vorrichtung umfasst darüberhinaus eine De- tektionseinheit . Diese ist zum Erfassen und zum Auswerten der mittels der Laserstrahlung im Verbundsystem erzeugten und vom Verbundsystem emittierten THz- Signale (insbesondere: THz-Pulse) ausgebildet. Erfindungsgemäß weist das Lasersystem eine Abstimmeinheit auf, mit der die Emissionswellenlänge des Lasersystems auf diejenige Wellenlänge des vordefinierten Wellenlängenbereichs des Lasersystems einstellbar ist, bei der das Verhältnis des Absorptionskoeffizienten des ersten Materials und des Absorptionskoeffizienten des zweiten Materials den kleinstmöglichen Wert aufweist. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Abstimmeinheit auch so ausgebildet sein, dass ei¬ ne Wellenlänge aus dem vordefinierten Wellenlängenbe¬ reich einstellbar ist, bei der das vorbeschriebene Verhältnis einen vordefinierten Wert (der kleiner als 1.0 ist und z.B. 0.15 oder 0.05 betragen kann) unterschreitet .
Die Abstimmeinheit kann dabei eine im Rahmen eines Computers, insbesondere eines personal Computers PC mit entsprechenden Speichereinheiten und darin abgespeicherten Programmen, ausgebildete Einheit sein, die bidirektional zum Steuern des Lasersystems und zum Empfang von momentan eingestellten Geräteparametern und/oder von anderen Daten dieses Lasersystems ausgebildet ist. Ebenso kann dieses für die Abstimmeinheit verwendete Computersystem auch zur Steuerung der Detektionseinheit verwendet werden oder ein Teil derselben sein und/oder zum Auswerten der mit dieser Einheit empfangenen THz-Signale ausgebildet sein. Ebenso können weitere der nachfolgend in dem Ausfüh- rungsbeispiel beschriebenen Elemente mithilfe dieses
Computersystems geregelt und/oder gesteuert werden.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Abstimmeinheit einen Speicher, in dem eine oder mehrere Zuordnungstabelle (n) abgelegt ist/sind. In solchen Zuordnungstabellen kann/können vordefinierten, unterschiedlichen Verbundsystemen bzw. Materialkombinationen jeweils eine oder auch mehrere Wellenlänge (n) zugeordnet sein, die die vorbeschriebene (n) Bedingung (en) für das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten zweier zu untersuchender Materialien erfüllen. Alternativ dazu können den entsprechenden Materialkombinationen in der Zuordnungstabelle auch im durchstimmbaren vordefinierten Wellenlängenbereich des Lasersystems enthaltene Wellenlängen-Teilbereiche zugeordnet werden, die diese Bedingung (en) näherungsweise erfüllen, wobei dann wie vorbeschrieben durch automatisches Durchlaufen der einzelnen Wellenlängen dieser Wellenlängen-Teilbereiche die exakte, einzu- stellende Emissionswellenlänge des Lasersystems ermittelt und eingestellt werden kann ( Feinabgleich) .
Die Abstimmeinheit weist in diesen Fällen zusätzlich eine Auswahleinheit auf, mit der ein konkret zu cha- rakterisierendes Verbundsystem und/oder 2-Tupel aus
Materialien ausgewählt werden kann. Anhand des so ausgewählten Verbundsystems oder 2-Tupels kann mit einer Regeleinheit der Abstimmeinheit die Emissionswellenlänge des Lasersystems (oder der Wellenlängen- Teilbereich zum späteren Feinabgleich) unter Heranziehen mindestens einer der Zuordnungstabellen ausge- P T/EP2011/006480
15 wählt bzw. festgelegt werden.
Alternativ dazu oder auch in Kombination damit kann die Abstimmeinheit auch eine Eingabeeinheit (z.B.
Tastatur, Maus oder dergleichen) umfassen, mittels derer eine Wellenlänge aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich und/oder ein Wellenlängen-Teilbereich aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich manuell eingegeben werden kann (z.B. unter Heranziehen ent- sprechender Tabellenwerke, die die physikalischen Eigenschaften der konkret zu untersuchenden Materialien, insbesondere deren Absorptionskanten, abbilden) . Eine Regeleinheit (die ergänzend zur vorstehend beschriebenen Regeleinheit vorgesehen sein kann, es kann sich jedoch auch um die vorbeschriebene Regeleinheit handeln) kann die über die Eingabeeinheit eingegebene Emissionswellenlänge (bzw. den entsprechenden Wellenlängen-Teilbereich) verwenden, um die Emissionswellenlänge des Lasersystems entsprechend einzustellen (bzw. auf einen entsprechenden Wellenlängen-Teilbereich voreinzustellen) . Bei der/den entsprechenden Regeleinheit (en) kann es sich um ein oder mehrere in dem Speicher eines/des Computersystems realisierte (s) Steuerprogramm (e) handeln.
Die vorbeschriebene (n) Zuordnungstabelle (n) ist/sind dabei vom konkret im Lasersystem eingesetzten
Lasertyp (z.B. Titan-Saphir-Laser), ggf. auch von einem in Kombination mit dem Laser verwendeten OPO ab- hängig. Da bei festgelegten Materialien und Lasersystemen die optimalen Emissionswellenlängen abhängig von physikalischen und/oder chemischen Umgebungsbedingungen sein können (insbesondere: der momentanen Temperatur des Verbundsystems), können für unter- schiedliche physikalische und/oder chemische Umgebungsbedingungen verschiedene Zuordnungstabellen in der Abstimmeinheit vorgesehen sein. Die zu verwendende Tabelle kann nach Messungen der vorgenannten Umgebungsbedingungen mithilfe entsprechender Sensoren (z.B.: Temperatursensor) ausgewählt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Abstimmeinheit eine Wellenlän- genbereichs-Durchstimmeinheit auf, mit der die Wellenlängen aus dem festgelegten bzw. voreingestellten Wellenlängen-Teilbereich auswählbar sind, indem die einzelnen Wellenlängen des Wellenlängen-Teilbereichs kontinuierlich durchgefahren werden und indem jeweils für die gerade eingestellte Wellenlänge mit der De- tektionseinheit die empfangene THz-Signalintensität erfasst wird. Für alle durchfahrenen Wellenlängen werden dann zum Feinabgleich die empfangenen Signalintensitäten untereinander verglichen und diejenige der durchfahrenen Wellenlängen wird als einzustellen¬ de Emissionswellenlänge des Lasersystems ausgewählt, für die die empfangene Signalintensität maximal ist.
Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung der Erfindung realisiert die Abstimmeinheit in Verbindung mit einem Spektrometer (hierfür eignen sich grundsätzlich alle kommerziell erhältlichen Spektrometer) . Das Spektro¬ meter wird so angeordnet, dass mit ihm die Transmis¬ sionsspektren des ersten Materials ml und des zweiten Materials m2 bestimmt werden können. Die weitere Realisierung kann dann z.B. wie folgt erfolgen: Die Ab- Stimmeinheit ist so programmiert, dass die Transmissionsverläufe von ml und m2 über die beiden numeri¬ schen Funktionen Tmi (λ) und Tm2(X) angeglichen werden. Aus diesen Funktionen Tral (λ) und Tm2(A) lässt sich die gesuchte Wellenlänge λκ auf die die Emissionswellen- länge λ des Lasersystems einzustellen ist, wie folgt berechnen: Ist G(A) der Quotient aus Tml(X) und Tm2 (λ) , also G (λ) = Tmi (λ) /Tm2 (λ) , so ist λΕ die Wellenlänge, bei der G(Ä) den Maximalwert besitzt. Man sucht also den optimalen Kompromiss zwischen maximaler Transmission in ml und minimaler Transmission in m2.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Aufteilung des Strahlengangs des Lasersystems auf eine optische Verzögerungsstrecke und auf eine optische Messstrecke. Das das zu charakterisierende Verbundsystem enthaltende Probenvolumen wird innerhalb der Messstrecke angeordnet und die Strahlengänge der optischen Verzögerungsstrecke und der Messstrecke werden strahlenausgangs- seitig in der Detektionseinheit so zusammengeführt, dass mit der Detektionseinheit der zeitliche Verlauf der empfangenen THz-Signale erfasst und ausgewertet werden kann. Bei der Detektionseinheit kann es sich um einen phasensensitiven THz-Detektor handeln (insbesondere: photoleitendes Antennensystem). Die Detektionseinheit kann somit im Rahmen eines THz-Zeitbe- reich-Spektrometers ausgebildet sein.
Zur Fokussierung von im Verbundsystem erzeugten THz- Signalen auf die Detektionseinheit können THz-Linsen und/oder Fokussiereinheiten mit Parabolspiegeln für THz-Signale verwendet werden, die im Messstrahlengang vor der Detektionseinheit angeordnet sind. Der Aufbau solcher THz-Linsen oder Fokussiereinheiten ist dem Fachmann ebenso bekannt wie die Ausgestaltung von optischen Verzögerungsstrecken.
Das durchstimmbare Lasersystem der Erfindung kann neben einem Laser, insbesondere einem durchstimmbaren Titan-Saphir-Laser, einen den durchstimmbaren Wellenlängenbereich dieses Lasers aufweitenden optisch- parametrischen Oszillator (OPO) aufweisen. Das durchstimmbare Lasersystem kann als OPO-basiertes System, insbesondere als Einzelresonanz-OPO-System ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist ein vordefinierter, durchstimmbarer Wellenlängenbereich zwi- sehen etwa 300 nm und 2000 nm, in dem die Emissionswellenlänge des Lasersystems wie vorbeschrieben eingestellt werden kann. Mit dem Lasersystem sind bevorzugt Laserpulse mit einer Dauer von < 150
Femtosekunden erzeugbar.
Zur Auswertung der erfassten THz-Signale, insbesondere der THz-Pulse, kann die Detektionseinheit verschiedene, z.B. in Form von in einem Speicher der Detektionseinheit oder einem mit ihr verbundenen Rech- nersystem abgelegten Programmen ausgebildete Untereinheiten wie folgt umfassen und/oder wie folgt aus¬ gebildet sein:
- Zum Trennen verschiedener zeitlicher Abschnitte eines empfangenen THz-Signals und/oder zum von- einander getrennten Auswerten von Zeitabschnitten eines solchen Signals (beispielsweise: Be¬ stimmen definierter Größen wie z.B. von Signal- maxima in den unterschiedlichen zeitlichen Abschnitten des empfangenen Signals und Vergleich dieser Größen aus unterschiedlichen Zeitabschnitten) .
- Zum Bestimmen von Amplituden im Verlauf eines empfangenen THz-Signals, z.B. von maximalen Amp¬ lituden des empfangenen Signals während der Emp- fangsdauer, und zum Auswerten dieser Amplituden.
- Zum Bestimmen des spektralen Verlaufs eines empfangenen THz-Signals, z.B. durch Vorsehen einer entsprechenden Fourier-Transformationseinheit zum Ermitteln und zum Auswerten der Fourier- Transformation des empfangenen Signals.
- Zum Ermitteln von Polarisationseigenschaften ei- EP2011/006480
19 nes empfangenen Signals, wobei dies auf Basis eines lediglich eine definierte Polarisationsrichtung und/oder -eigenschaft transmittierenden Polarisators zwischen dem Probenvolumen und der Detektionseinheit realisiert werden kann.
Zum Auswerten einer oder mehrerer definierten/r Zeitdauer (n) eines empfangenen THz-Signals. So kann beispielsweise die Dauer eines empfangenen THz-Pulses ermittelt und ausgewertet werden, es kann die Zeitdauer der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke eines empfangenen THz- Pulses ausgewertet werden oder es können weitere zeitabhängige Größen des empfangenen THz-Signals ausgewertet werden, beispielsweise der Gradient des zeitlichen Anstiegs bzw. Abfalls einer solchen Flanke.
Erfindungsgemäß ist es ebenso von Vorteil, wenn ein oder mehrere Sensor (en) vorgesehen ist/sind, mit dem/den eine oder mehrere physikalische und/oder che mische Größe (n) im Probenvolumen und/oder am Verbund System selbst messbar ist/sind. So kann beispielswei se ein Temperatursensor zum Messen der momentan im Probenvolumen oder im Verbundsystem herrschenden Tem peratur vorgesehen sein. Auch Drucksensoren zum Messen eines Druckes in einer das Probenvolumen umschließenden Kammer sind denkbar. Beim Vorsehen dergestaltiger Sensoren ist die Abstimmeinheit der Vorrichtung so ausgebildet, dass die Emissionswellen länge des Lasersystems nicht nur unter Berücksichtigung der konkret untersuchten Materialien des Verbundsystems eingestellt wird, sondern dass auch die momentan erfassten Messwerte dieser physikalischen und/oder chemischen Größe (n) berücksichtigt werden. In Kombination damit oder alternativ dazu kann auch die Detektionseinheit so ausgebildet sein, dass das Erfassen und/oder das Auswerten der empfangenen THz- Signale unter Berücksichtigung der erfassten Messwerte erfolgt.
Ebenso kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, eine Einheit (beispielsweise eine Kühlkammer oder einer Druckkammer) vorzusehen, mit der die physikalischen und/oder chemischen Umgebungsbedingungen, die im Probenvolumen und/oder am Verbundsystem herrschen, geändert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhafterweise in Verbindung bzw. als Teilabschnitt einer Produktionsanlage (insbesondere: einer In-line- Produktionsanlage ) vorgesehen sein, die zum Herstellen und Überprüfen entsprechender Material- Verbundsysteme dient. Insbesondere können dies Produktionsanlagen zum Herstellen und Überprüfen von Halbleiterschichtsystemen wie Solarzellenelementen, Dünnschichtsolarzellenelementen, organischen oder nicht organischen Leuchtdioden oder Mikrochips sein.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zur Charakterisierung von Material- Verbundsystemen weisen die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung sowie das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere die folgenden Vorteile auf:
- Durch die gezielte Auswahl der optimalen
und/oder einer zumindest nahezu optimalen Emissionswellenlänge AR aus dem vordefinierten, durchstimmbaren Wellenlängenbereich ist eine gezielte Charakterisierung einer Materialgrenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Materialien eines Halbleiterschichtsystems möglich. Damit lässt sich die energetische Einwirkung des einen Materials auf das andere Material bzw. die Ände- 1 006480
21 rung in einem der Materialien (oder auch in beiden Materialien, dann ist die Rolle der beiden Materialien im vorbeschriebenen Vorgehen zu vertauschen, die optimale Emissionswellenlänge ist nach diesem Tausch erneut zu bestimmen und die weitere Auswertung erfolgt wie vorbeschrieben) durch das jeweils andere Material umfassend und mit hoher Genauigkeit charakterisieren.
Dabei bewirkt ein zusätzlich zum durchstimmbaren Laser in Verbindung mit diesem eingesetzter OPO eine deutliche Vergrößerung des vordefinierten Wellenlängenbereichs, so dass diejenige Materialvielfalt von Verbundsystemen, die charakterisiert werden kann, deutlich vergrößerbar ist. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, direkt die Richtung der Elektronen im Verbund¬ system bzw. im Grenzflächenbereich desselben zu detektieren .
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorgehens¬ weise im Rahmen eines in-line-Systems (Produkti¬ onsanlage) realisierbar.
So können insbesondere erfindungsgemäß bei Be- schichtungen von einem Material mit einem anderen Material auftretende Defekte, Probleme oder Fehler sicher und ortsaufgelöst, auf Wunsch auch in-line festgestellt werden. Dies kann insbeson¬ dere bei der Solarzellenfertigung realisiert werden, bei der die vorliegende Erfindung kurze Messzeiten zur Charakterisierung der fertigen Solarzellen (oder auch in Zwischenschritten bei der Fertigung derselben) ermöglicht und elektrisch relevante Defekte sichtbar macht. Somit können mit der vorliegenden Erfindung elektronisch aktive Schichten während der Produktion und zur Qualitätssicherung charakterisiert werden . - Die vorgestellte Technik kann dabei in nahezu allen für die Aufbringung von Absorberschichten verantwortlichen industriellen Umgebungen eingesetzt werden.
- So kann insbesondere auch eine ortsaufgelöste in-line-Kontrolle bei der Fertigung von LEDs während der Abscheidung der aktiven Schichten erfolgen. Auch ist eine lokal aufgelöste Kontrolle der Abscheidungsvorgänge während der Herstellung von Mikrochips möglich.
- Über eine Variation der optimalen Anregungswellenlänge ist eine umfassende Tiefencharakterisierung von elektronisch aktiven Materialien möglich. Darüberhinaus sind insbesondere Veränderungen der elektronischen Eigenschaften von Absorbern durch darüber liegende, aufgebrachte Schichten während der Beschichtung direkt messbar und ortsaufgelöst auswertbar.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels genauer beschrieben. Dabei zeigen :
Figuren la und lb In schematischer Form den Aufbau zweier beispielhafter erfindungsgemäßer Vorrichtungen .
Figur 2 Ein Beispiel für Absorptionslän¬ gen in Silizium bei unterschiedlichen Wellenlängen der eingestrahlten Laserstrahlung.
Figur 3 Im Silizium bei den entsprechen¬ den Wellenlängen erzeugte THz-Impulse.
Figur 4 Das grundlegende Prinzip zum Auffinden der optimalen Emissionswellenlänge des Systems T/EP2011/006480
23 bei einem Verbundsystem aus ITO-Silizium.
Figur 5 Eine schematische Darstellung für die Auswahl des optimalen Emissionswellenlängenbereichs .
Figur 6 Die optische Transmission bei ZnO für verschiedene Substrattemperaturen.
Figur 7 Einen Zusammenhang zwischen einfallendem Laserpuls, erzeugtem Photostrom und emittiertem THz-Puls sowie eine Unterteilung des THz- Feldstärkeverlaufes .
Figur 8 Ein Beispiel für einen Nachweis der Polarität des elektromagnetischen Feldes an der Grenzfläche des Verbundsystems bei unterschiedlichen Verbundsystemen .
Figur 9 Unterschiedliche THz-Emissionen von n-dotiertem und von p-dotiertem InP.
Figur 10 Einen Vergleich der THz-Emission für verschiedene Halbleiterrekombinationszeiten sowie entsprechende THz-Spektren .
Figur 11 Eine in einem Speicher der vor¬ liegenden Vorrichtung ablegbare Zuordnungstabelle mit mehreren definierten Verbundsystemen samt der jeweils zugehörigen optimalen Emissionswellenlänge für einen Titan-Saphir-Laser mit OPO im durchstimmbaren, vorde¬ finierten Wellenlängenbereich [300 nm, 2000 nm] .
Figur la zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Messaufbau (erfindungsgemäße Vorrichtung) , der in Form eines THz-Zeitbereichsspektrometers realisiert ist. Die hierzu notwendigen phasensensitiven THz- Detektionseinheiten (photoleitende Antenne 3) sind dem Fachmann dabei grundsätzlich in ihrem Aufbau bekannt .
Figur la zeigt ein Titan-Saphir-Laser-basiertes Lasersystem 1, das als durchstimmbares Lasersystem 1 ausgebildet ist. Der Titan-Saphir-Oszillator bzw. Laser la erzeugt ultrakurze Laserpulse L im Wellenlän- genbereich von etwa 700 bis 1100 nm Emissionswellenlänge mit einer Pulsdauer < 150 fs, hier mit ca. 100 fs. Mit Hilfe eines OPOs 17 im Strahlengang des Lasers la wird der vorbeschriebene Wellenlängenbereich zwischen 700 und 1100 nm auf den vordefinierten, durchstimmbaren Wellenlängenbereich des Lasersystems
1 im Bereich zwischen 300 nm und 2000 nm erweitert.
Der OPO 17 basiert auf einem nichtlinearen Kristall (z.B. LiNb03, BBO, ...) mit dessen Hilfe eine Diffe- renz-Frequenzkonversion durchgeführt wird. Um dies zu realisieren, wird der Kristall mit hochintensiver Laserstrahlung (üblicherweise fs- oder ps-Pulse) gepumpt. Am Ausgang des Kristalls treten während des Pumpens neben der abgeschwächten Pumpwellenlänge wei- tere Wellenlängenbänder auf. Aus Konvention werden diese Idler und Signal genannt. Hierbei ist die fol¬ gende mathematische Relation gültig: wp - Wj. = ws . Es gilt also die vergleichsweise einfache mathematische Formel, dass Pumpfrequenz minus Idlerfrequenz die Signalfrequenz ergibt. Naturgemäß sind allerdings die
Intensitäten dieser zusätzlich erzeugten Frequenzen nur sehr schwach (Rauschlevel) . Um effizient Energie von der Pumpwellenlänge in die Idlerwellenlänge (oder die Signalwellenlänge) zu transferieren, muss eine Phasenanpassung realisiert werden, so dass Pump und
Idler (oder Signal) in fester Phase durch den Kris- EP2011/006480
25 tall propagieren. Für die Phasenanpassung können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Zum Beispiel Drehen der Kristallachse (Winkelphasenanpassung) , Ändern der Kristall-Temperatur oder durch periodisch gepolte Kristalle. Des Weiteren befindet sich der Kristall innerhalb eines optischen Resonators, der im einfachsten Fall für nur eine Frequenz, entweder Idler oder Signal resonant ist, je nachdem welche Wellenlänge verstärkt werden soll. ( einfach-resonater OPO 17) . Alternativ dazu sind jedoch auch doppel- resonante OPOs 17, bei denen der Resonator für Idler und Signal resonant aufgebaut ist, einsetzbar. Aufgrund des Resonatoreffektes erhöht sich bei jedem Umlauf die Energie der resonanten Wellenlänge, so dass eine parametrische Verstärkung mit vergleichsweise effizienter Frequenzkonversion erzielt wird. Die bevorzugte Wellenlänge von Idler bzw. Signal wird über die Phasenanpassung innerhalb des Kristalls und oder über wellenlängenselektive Elemente (z.B. optische Gitter) realisiert.
Im Allgemeinen wirken sich veränderte Herstellungsbedingungen bei konkret zu untersuchenden Verbundsyste¬ men V und/oder auch veränderte Ümgebungsbedingungen für diese Verbundsysteme V (z.B. gerade herrschende Temperatur) auf die Energiebänderverteilung im ent¬ sprechenden Verbundsystem aus. Je nach konkret zu untersuchenden Materialien im Verbundsystem variieren die optimalen Emissionswellenlängen XR zusätzlich stark. Durch den OPO wird sichergestellt, dass mit dem verwendeten Titan-Saphir-Laser ein möglichst großer Bereich unterschiedlicher Verbundsysteme unter möglichst unterschiedlichen Bedingungen untersucht werden kann.
Die vom Lasersystem 1 emittierten Laserpulse L werden auf einen Strahlteiler 18 gestrahlt, mit dessen Hilfe der Strahlengang des Lasersystem 1 auf einen Verzöge- rungsstreckenstrahlengang 12 (optische Verzögerungsstrecke) und auf einen Messstrahlengang (optische Messstrecke 13) aufgeteilt wird. Die optische Verzögerungsstrecke 12 umfasst eine Verzögerungseinheit 19, die auf Basis mehrerer verstellbarer Spiegeleinheiten 20a, 20b eine Veränderung der Phasenlage erlaubt (der grundsätzliche Aufbau einer solchen Ein- heit 19 ist dem Fachmann bekannt), bevor die Laserstrahlung über weitere, fest angeordnete Spiegeleinheiten 20c und 20d auf die als Detektionseinheit 3 verwendete photoleitende Antenne gestrahlt wird. Auch der Aufbau solcher photoleitenden Antennen ist dem Fachmann bekannt.
Die durch den Strahlteiler 18 auf den Messstrahlengang 13 aufgeteilten Laserstrahlanteile werden so in das Probenvolumen 2 gelenkt, dass sie auf das im Pro- benvolumen angeordnete, zu untersuchende Verbundsys¬ tem V, das hier als Siliziumsubstrat m2, auf dem eine ITO-Schicht ml aufgebracht ist, ausgebildet ist, fällt. Im vorliegenden Fall wird somit im Probenvolumen 2 gezielt die Grenzfläche g zwischen Silizium m2 und ITO ml untersucht. Die im vorbeschriebenen Sinn optimale Wellenlänge AR ist hier, vgl. auch Fig. 2, 3 und 4, (bei 20°C und Atmosphärendruck) XR = 400 nm.
Die durch diese Wahl von AR gezielt auf den Grenzflä- chenbereich g des Verbundsystems V eingestrahlten La¬ serpulse lösen im Verbundsystem V im Grenzflächenbereich im Silizium m2 THz-Pulse aus. Diese werden im Messstrahlengang 13 durch einen hier optional verwendeten Polarisator 21 und über eine fokussierende THz- Linse 14 auf die photoleitende Antenne bzw. die De- tektionseinheit 3 gestrahlt. Durch den gezeigten THz- Zeitbereichsspektrometeraufbau ist der zeitliche Verlauf eines im Detektor 3 empfangenen THz-Pulses bzw. die Phasenlage dieses Pulses zeitaufgelöst abtastbar.
Im vorliegenden Fall ist das Probenvolumen 2 als das Innenvolumen einer Kühlkammer 16 ausgebildet, sodass das Verbundsystem V innerhalb der Kühlkammer 16 auf vordefinierter Temperatur gehalten und untersucht werden kann. Das Strahleingangsfenster der Kühlkammer 16 (im Strahlengang vor dem Probenvolumen 2) ist für Wellenlängen im Bereich 300 nm bis 2000 nm transparent, das Strahlenausgangsfenster (im Strahlengang zwischen Probenvolumen 2 und photoleitender Antenne
3) ist für die erzeugte THz-Strahlung durchlässig. Als Strahlenausgangsfenster kann man hochohmiges Silizium, Diamant oder verschiedene Kunststoffe verwenden (z.B. PE, TPX, ... ) .
Zum Erfassen der momentanen Temperatur des Verbund¬ systems bzw. im Probenvolumen 2 ist ein Temperatur¬ sensor 15 vorgesehen. Die mit diesem Sensor 15 gemes¬ sene momentane Temperatur kann dann (vgl. nachfolgend) zur Auswahl der für diese Temperatur optimalen Emissionswellenlänge XR verwendet werden (z.B. können, siehe nachfolgend, für unterschiedliche Tempera¬ turen unterschiedliche Zuordnungstabellen 8 vorgesehen sein) . Auch beim Erfassen und Auswerten der emittierten THz-Strahlung durch die Detektionseinheit 3 kann (z.B. durch entsprechende Kalibrierung) die momentan herrschende Temperatur berücksichtigt werden.
Mit dem Laser la und dem OPO 17 bzw. deren Steuereinheiten ist im vorliegenden Fall ein Rechnersystem (PC
4) zum bidirektionalen Datenaustausch verbunden, das die Abstimmeinheit 4 des gezeigten Lasersystems 1 bildet. Dieses Rechnersystem weist einen Speicher 7 EP2011/006480
28 auf, in dem entsprechende Steuerprogramme und Datenstrukturen abgelegt sind, die alle nachfolgend beschriebenen Steuerungsprozesse ermöglichen. So ist im Speicher 7 des PC 4 eine Mehrzahl von Zuordnungstabellen 8 abgelegt, die für das konkret verwendete, vorbeschriebene Lasersystem 1 für unterschiedliche Verbundsystemtemperaturen jeweils für eine Vielzahl unterschiedlicher, konkreter Materialkom- binationen ml, m2 diejenige (optimale) Wellenlänge KR enthalten, bei der das Verhältnis R = al/a2 des Absorptionskoeffizienten al des ersten Materials ml und des Absorptionskoeffizienten .2 des zweiten Materials m2 im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2000 nm den kleinstmöglichen Wert aufweist (Untersuchung der
Auswirkung von ml auf m2 ) . Ein Beispiel für eine solche Tabelle 8 mit einigen unterschiedlichen Verbundsystemen für einen Titan-Saphir-Laser mit dem vorstehend beschriebenen OPO und für Raumtemperatur T = 20°C zeigt Figur 11. (Die für die Tabelle ermittelten
Zahlenwerte basieren auf:
[1] http://www.ioffe.ru/SVA/; [2] Vigil-Galän et al . "A study of the optical absorption in CdTe by
photoacoustic spectroscopy" , pp. 7176 - 7179, J. Mat- ter. Sei. 42 (2007); [3] Muth et al. "Absorption coefficient, energy gap, exciton binding energy, ..." pp. 2572 - 2574, Appl . Phys . Lett . 71 (1997) .)
Der PC 4 umfasst nun eine programmbasierte Auswahl- einheit 9, mit der, basierend auf dem mit dem Sensor
15 momentan gemessenen Temperaturwert in der Kühlkam¬ mer 16 und auf Basis der Kenntnis des gerade untersuchten Verbundsystems V bzw. dessen beider Materialien ml, m2, aus einer an einem Bildschirm des PC 4 angezeigten Zuordnungstabelle 8 die optimale Emissionswellenlänge AR ausgewählt werden kann. Nach Aus- 0
29 wähl dieser Wellenlänge kann die Emissionswellenlänge des Lasersystems mit Hilfe einer den Laser la und den OPO 17 abstimmenden Regeleinheit 10 der Abstimmeinheit 4 auf den konkret ausgewählten Wert AR eingeregelt werden.
Darüber hinaus weist der PC 4 eine Eingabeeinheit (Maus oder Tastatur 5) auf, mit der, unter Heranziehen entsprechender Kenntnis der beiden gerade untersuchten Materialien ml und m2 sowie der gerade herrschenden Temperatur, die optimale Emissionswellenlänge ÄR manuell eingegeben werden kann. In diesem Fall regelt eine weitere, zweite Regeleinheit 6 des PC 4 (die jedoch ebenso in Kombination mit der vorbeschriebenen Regeleinheit 10 als kombinierte Regeleinheit ausgebildet werden kann) die Emissionswellenlänge des Lasersystems 1 durch entsprechende Einstellung der Elemente la, 17 ein.
Im gezeigten Beispiel ist darüberhinaus eine dritte Einstellmöglichkeit der optimalen Emissionswellenlänge AR realisiert: Die Abstimmeinheit 4 ist mit einer Wellenlängenbereichs-Durchstimmeinheit 11 versehen, die durch entsprechende Steuerung der Elemente la, 17 nach Vorabauswahl eines Wellenlängen-Teilbereichs aus dem Wellenlängenbereich 300 nm bis 2000 nm mittels der Einheiten 5 bis 10 (z.B. kann ein Teilbereich zwischen 700 nm und 900 nm vorab ausgewählt werden) ein kontinuierliches Durchfahren aller Wellenlängen des gewählten Wellenlängen-Teilbereichs ermöglicht. Bei jeder momentan eingestellten Wellenlänge des Teilbereichs wird die bei dieser Wellenlänge vom Verbundsystem V emittierte und im Detektor 3 nachgewiesene THz-Signalintensität erfasst und aufgezeichnet. Diejenige Wellenlänge aus dem Wellenlängen- Teilbereich von z.B. 700 nm bis 900 nm, bei der im Detektor 3 die maximale Signalintensität empfangen wird, wird dann ( Feinabgleich) als die optimale Emissionswellenlänge ÄR des Systems 1 eingestellt. Schließlich sind weitere Einstellmöglichkeiten (hier nicht gezeigt) für die optimale Emissionswellenlänge AR denkbar: Das Probenvolumen kann im Rahmen eines Messvolumens einer Vorrichtung realisiert werden, mit der die Materialien ml und m2 des Verbundsystems V bestimmt werden können. Anhand dieser Bestimmung kann dann mittels der Tabellen 8 hR automatisch ermittelt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung in-line mit einer weiteren Vorrichtung einer Produktionsanlage zu verbinden, die der gezeigten Vorrichtung vorgeschaltet ist.
Hierbei kann es sich z.B. um ein Massenspektrometer handeln, mit dessen Hilfe die Materialien ml und m2 durch Vermessen des Verbundsystems V automatisch bestimmt werden können.
Mit Hilfe der in der Figur la gezeigten Vorrichtung kann insbesondere eine Analyse von Materialgrenzflächen in Solarzellensystemen erfolgen, indem die empfangenen THz-Pulse hinsichtlich der räumlichen Aus- dehnung und Polarität des Grenzflächenfeldes, der Ladungsträgerlebensdauer, der Ladungsträgerdichte und/oder der Oberflächenrauigkeit (Poliergrad) der vermessenen Verbundsysteme V ausgewertet werden. Mittels der Kühlkammer 16 können die Verbundsysteme V bis hin zu kryogenen Temperaturen gekühlt werden: Ladungsträgermobilität, Lebensdauer und Eigenschaft des Grenzflächenfeldes sind in der Regel von der Temperatur der untersuchten Materialien abhängig, sodass Untersuchungen vorteilhafterweise bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden sollten, um wirklich eindeutige Aussagen treffen zu können. Darüber hinaus hat eine Kühlung der Verbundsysteme den Vorteil, dass Nebeneffekte wie thermisches Rauschen, Streuung an Phononen (indirekte Energieübergänge) und/oder thermische Besetzungen höherer Energieniveaus unterdrückt werden. Die Kühlkammer 16 muss allerdings nicht vorgesehen werden, sondern kann insbesondere im In-line- Betrieb auch weggelassen werden, sofern der entsprechende Produktionsanlagenaufbau für das Vorsehen einer solchen Kühlkammer 16 nicht geeignet ist.
Figur lb zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese ist grundsätzlich wie die in Figur la gezeigte Vorrichtung aufgebaut, sodass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden: Im in Fig. lb gezeigten Fall ist der OPO 17 in der Messstrecke im Strahlengang nach dem Strahlteiler 18 und vor dem Probenvolumen 2 bzw. der Kühlkammer 16 angeordnet. Somit wird die Frequenzkonversion mittels des OPO erst nach dem Strahlteiler 18 im Erzeugerarm durchgeführt. Diese Anordnung zeichnet sich gegenüber der in Fig. la gezeigten Anordnung durch den Vorteil aus, dass mit unterschiedlichen Wellenlängen die THz-Strahlung erzeugt werden kann, während der THz-Detektor ( Detektionseinheit 3) immer mit der gleichen Wellenlänge betrieben werden kann.
Phasensensitive THz-Empfänger wie die in Fig. lb ge¬ zeigte photoleitende Antenne zeigen in der Regel eine starke Abhängigkeit von der Laserwellenlänge. Dies liegt an den Absorptionseigenschaften der Halbleiter. Aus diesem Grunde ist es besonders vorteilhaft, den
Detektor immer mit der gleichen Wellenlänge zu betreiben, damit Vergleichsmessungen zwischen verschiedenen Proben quantitativ einfach zu realisieren sind. (So haben z.B. photoleitende Antennen auf Basis von sogenannten Low-Temperature-Grown GaAs eine Bandkante von etwa 1.42 eV. Dies bedeutet, dass oberhalb einer Anregung von etwa 870 nm kaum noch absorbiert wird und das Material transparent erscheint. Im Allgemeinen sollten daher diese Antennen konstant bei etwa 800nm betrieben werden.) Im Gegensatz zur in Fig. lb gezeigten Anordnung, sind bei der in Fig. la gezeigten Anordnung zum quantitativen Realisieren von Vergleichsmessungen zwischen verschiedenen Proben in der Regel zusätzliche Kalibriermaßnahmen nötig. Wie Figur 2 zeigt, bieten die in Figuren la und lb gezeigten Vorrichtungen aufgrund der unterschiedlichen einstellbaren Emissionswellenlängen die Möglichkeit, die Absorptionslängen in den Materialien (insbesondere: im zweiten Material) gezielt zu steuern. Zum Beispiel wird bei m2 = Silizium (Solarzellen) bei
700 nm der überwiegende Teil der Laserstrahlung schon nach wenigen Mikrometern absorbiert (1/e-Abfall bei ca . 10 μιη) . Erfindungsgemäß wird die Absorptionswellenlänge bzw. die Emissionswellenlänge des Lasersystems 1 so einge¬ stellt, dass möglichst viel Laserstrahlintensität an der Oberfläche des Siliziummaterials, also unmittel¬ bar nach der Grenzfläche zum ersten Material, depo- niert wird, also dort, wo der Einflussbereich des
Grenzflächenfeldes am größten ist, wobei aber die Ab¬ sorption in ml = ITO zu berücksichtigen ist (vgl. Fig. 4) . Die Emissionswellenlänge genau so einzustellen, dass ein Maximum an Absorption von LaserlichtIntensität undmittelbar nach der Grenzfläche zum ersten Material im zweiten Material erfolgt, ist für die effiziente Erzeugung von THz-Strahlung besonders vorteilhaft, da (im Vergleich zu den elektromagnetischen Feldern in den beiden Materialien in größerem Abstand zur Grenz- 2011/006480
33 fläche) das Grenzflächenfeld die höchste Feldstärke aufweist und somit gerade die erwünschte gerichtete Beschleunigung der Ladungsträger, die zur THz- Emission führen, ermöglicht. Freie Ladungen, die au- ßerhalb des Grenzflächenfeldes generiert werden, tragen in der Regel kaum oder gar nicht zur THz- Erzeugung bei, sodass sich die Amplitude der generierten THz-Strahlung (Konversionseffizienz) für längere Absorptionslängen deutlich reduziert (vgl. auch Figur 3) .
Figur 2 zeigt hierzu den Absorptionsgrad in Silizium in unterschiedlichen Tiefen in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge λ des Lasersystems 1. Figur 3 zeigt hierzu für die in Fig. 2 gezeigten unterschiedlichen Wellenlängen die erzeugten THz-Feldstärken (THz-Pulse) .
Durch Anregung bei unterschiedlichen Wellenlängen λ ist es somit auch möglich, die Ausdehnung von Grenz¬ flächenfeldern oder auch von Oberflächenfeldern zu untersuchen. Figur 4 zeigt ein Beispiel für die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei dem Verbundsystem aus einer ITO-Schicht (Material ml) auf einem Silizi- um-Substrat (Material m2 ) , wie es einem typischen
Dünnschicht-Solarzellen-Verbundsystem entspricht. Das Grenzflächenfeld ist hier auf einige Nanometer Tiefe bis wenige Mikrometer Tiefe im Silizium beschränkt. Nur in diesem Bereich kann im Silizium effizient THz- Strahlung erzeugt werden. Aufgrund des Transmissionsverhaltens von ITO bzw. vom ersten Material erfolgt die Anregung hier im Optimalfall bei 400 nm (siehe Figur 4(a), die zeigt, dass freie Ladungen mit einer Wellenlänge von 400 nm direkt an der Grenzfläche er- zeugt werden, sodass effizient THz-Strahlen erzeugt und emittiert werden können) . Zum einen ist bei die- ser Wellenlänge ÄR = 400 nm die Transparenz für ITO sehr groß (d.h. der Absorptionskoeffizient al sehr klein), hier etwa 80% bis 90%, zum Anderen zeigt das Silizium hier eine starke Absorption (d.h. der Ab- Sorptionskoeffizient a2 von Silizium ist hier sehr groß) bzw. kurze Absorptionslängen. Würde man z.B. mit einer längeren Laser-Wellenlänge λ einstrahlen (vgl. Figur 4(b)), so würden aufgrund der schwächeren Absorption im Silizium weniger Elektronen im Grenz- flächen-Einflussbereich g erzeugt werden, sodass nur ineffizient THz-Strahlung erzeugt werden könnte. Eine Anregung bei 1000 nm führt somit zu einer schwachen Absorption im Silizium. Um erfindungsgemäß eine konkrete Zuordnungstabelle 8
(vgl. Figur 11) zu erstellen, die dann im Speicher 7 abgelegt werden kann, ist es notwendig, für die zu untersuchenden unterschiedlichen Verbundsysteme V jeweils zu klären, in welchen Frequenzbereichen die beiden Materialien ml, m2 jeweils transparent sind und in welchen sie absorbieren. Dies kann mit Hilfe von bekannten tabellierten Werten von Absorptionskoeffizienten etc. geschehen, jedoch grundsätzlich auch durch entsprechende vorab durchzuführende Messungen, bei denen die Reaktion der einzelnen Materialien bzw. ihr Absorptionskoeffizient für unterschiedliche Wellenlängen ermittelt wird.
Soll der Einfluss des ersten Materials ml auf das zweite Material m2 untersucht werden, so will man die
Energiebänderauswirkungen des Materials ml im Material m2 bestimmen. Hierzu müssen im Material m2 Laserphotonen deponiert werden und freie Ladungsträger erzeugt werden, währen die Laserphotonen das Material ml im Idealfall ungehindert passieren sollen. Ziel ist also, einen ausreichenden, am besten optimalen Kompromiss zwischen maximaler Transparenz im ersten Material ml und maximaler Absorption im zweiten Mate rial m2 zu finden (vgl. die schematische Darstellung in Figur 5 für die Vorabauswahl eines nahezu optimalen Wellenlängenbereiches für die Anregung des Materials m2) .
Figur 6 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit des Transmissionsgrads von unterschiedlichen Emissions- Wellenlängen λ bei ZnO bei unterschiedlichen Temperaturen (ZnO wird wie auch ITO oft als elektrisch leitende Deckschicht bei Halbleiterbauelementen eingesetzt: es dient zum einen der Verkapselung der Bauelemente und zum anderen der elektrischen Kontaktie- rung oder erfüllt eine Reihe weiterer Aufgaben) . Wie
Figur 6 zu entnehmen ist, unterscheiden sich die optischen Eigenschaften (Transmissionsgrad bzw. Absorptionskoeffizient) des ZnO in Abhängigkeit von der Temperatur deutlich: So kann sich bei Temperaturen im Bereich zwischen 150°C und 250°C (typische Prozess¬ temperaturen bei der ZnO-Abscheidung oder Bearbei¬ tung) der Wellenlängenbereich maximaler Transparenz von 400 nm hin zu 800 nm verschieben. Demnach sollte bei der erfindungsgemäßen Charakterisierung von ZnO- basierten Verbundsystemen die Temperatur auf Basis von Messungen 15 entsprechend berücksichtigt werden.
Figur 7 zeigt wie die Detektionseinheit 3 (beispielsweise durch mehrere Unterprogramme in einem Speicher- abschnitt des PC 4, der dann mit der photoleitenden
Antenne bzw. der Detektionseinheit 3 zur Auswertung der durch die Detektionseinheit 3 erfassten THz- Signale verbunden ist, hier nicht gezeigt; in diesem Fall ist dieser Speicherabschnitt des PC 4 dann als Teil der Detektionseinheit 3 anzusehen) ausgebildet werden kann, um die erfassten THz-Signale zur Charak- terisierung des Verbundsystems, dessen Materialien ml, m2 und/oder dessen Grenzfläche g zu verwenden. Figur 7 (a) zeigt hierzu einen Zusammenhang zwischen Laserpuls L, im Grenzflächenbereich g des Verbundsys- tems V erzeugtem Photostrom und dem vom Grenzflächenbereich g emittierten THz-Puls im zeitlichen Verlauf. Da wiederum die Stromstärke direkt an die beiden Materialien des Verbundsystems V (z.B. bei Halbleitern an Halbleiterparameter wie Dotierung, Ladungsträger- mobilität und -rekombinationszeit ) gekoppelt ist, lassen sich über die emittierten und nachgewiesenen THz-Felder indirekt Informationen über Materialparameter der Materialien ml, m2 gewinnen. Als Beispiel sei an dieser Stelle auf die Emission von n-dotiertem und p-dotiertem InP im THz-Bereich verwiesen (vgl. Figur 9) : Da bei n- und p-dotierten Halbleitern die Oberflächenfelder und folglich die Ladungsträgerbewegungen entgegen gerichtet verlaufen, ergibt sich eine entgegen gerichtete Polarität der
THz-Feldstärke . Im Umkehrschluss lässt sich aus der THz-Emission die Richtung und Stärke der Bandverbie¬ gung an Halbleitergrenzflächen, z.B. zwischen n- dotiertem InP und p-dotierten InP, mittels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 analysieren.
Dabei können dann (vgl. Figur 7(b), die die Untertei¬ lung eines THz-Feldstärkeverlaufs in verschiedene zeitliche Abschnitte I. bis V. zeigt) einzelne zeit- liehe Abschnitte des THz-Feldstärkeverlaufs bzw. des zeitlichen Verlaufs von empfangenen THz-Pulsen, ge¬ sondert ausgewertet werden, denn die mit der THz- Erzeugung und Emission verknüpften physikalischen Prozesse treten im Allgemeinen zeitlich gestaffelt auf. So zeigt beispielsweise der erste Abschnitt I. im Zeitverlauf des gemäß Figur 7 (b) empfangenen THz- Pulses in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des einwirkenden Laserpulses die Erzeugung freier Ladungsträger. Der anwachsende Photostrom wird vor allem von der eingesetzten Photonendichte, dem Absorptionsverhalten des absorbierenden Materials m2, der Stärke der vorliegenden Energiebänderverbiegung im Material m2 durch das Material ml und der Beweglichkeit der freigesetzten Ladungsträger bestimmt. Abschnitt II. skizziert, dass, aufgrund der abnehmenden Photonendichte, nur noch wenige Ladungsträger im Grenzflächenbereich g erzeugt werden. Insbesondere bewirken einsetzende Phononen- und Coulomb- Streuprozesse eine zunehmende Verzögerung der Ladungsträgerbewegung. Abschnitt III. zeigt denjenigen Bereich (Schnittpunkt mit der Abszisse) , in dem sich die Beschleunigung und die Verzögerung der Ladungs¬ träger gerade aufheben. Die negative Flanke (im Ab¬ schnitt IV.) des THz-Pulses wird dann alleine von der Verzögerung und der Rekombination dominiert. Im Ab¬ schnitt V. sind alle freigesetzten Ladungsträger rekombiniert, das mit dem Laserpuls L angeregte Ver¬ bundsystem ist in seinen Ausgangszustand zurückgekehrt .
Durch entsprechende Auswertungen an den einzelnen Zeitabschnitten, können z.B. Fehlstellen am Grenzflä chenverlauf erkannt und bestimmt werden.
Dazu können vor allem die Anzahl der freien Ladungsträger, die Polarität und Stärke des Grenzflächenfel des und die Ladungsträgerdauer bestimmt werden. Ver¬ schiedene Materialeigenschaften können dabei ggf. Auswirkungen auf die Form des THz-Pulses haben; vor¬ teilhafterweise wird dies berücksichtigt. Beispiels- weise können hierzu Berechnungen durchgeführt werden, die die Materialeigenschaften in ihren Größen berücksichtigen (z.B. in Form von Monte-Carlo- Simulationen) . Alternativ dazu kann auch ein Vergleich mit THz-Emissionen bekannter Proben erfolgen.
Im Allgemeinen gelten dabei die folgenden Beziehungen :
Abschnitt I:
Die ansteigende Flanke (also der Anstieg) ist vom Material weitgehend unabhängig und wird von der Dauer des Laserpulses bestimmt. Je steiler, desto kürzer der Laserpuls.
Abschnitt II:
• Die Amplitude von II bestimmt hauptsächlich die Polarität der Feldstärke, deren Stärke, die La¬ dungsträgeranzahl und deren Mobilität.
• Vereinfacht gilt: Je mehr Ladungsträger desto höher der Betrag des Photostromes, desto höher Betrag der Amplitude von THz. Je höher Mobilität desto höher Amplitude des Photostromes, desto höher Betrag der Amplitude von THz. Das Vorzei¬ chen ergibt die Polarität.
• Ab hier dominieren die Materialeffekte.
Abschnitt II-V:
Je kürzer zeitlicher Verlauf von II zu V, desto kür¬ zer sind die Ladungsträgerlebensdauern.
Abschnitt IV:
Der Verlauf von IV wird allein von der Verzögerung der Ladungsträger im Material bestimmt. Je ausgeprägter/länger der Verlauf, desto länger sind die La¬ dungsträgerlebensdauern. Bei Materialien mit sehr ho- hen freien Ladungsträgeranzahlen (>1018 cm-3) können die natürlichen Grenzflächenfelder aufgrund der Ladungsträgertrennung kompensiert werden. Dadurch kommt es zu einem Stillstand des Ladungsträgerflusses und der negative Abschnitt IV geht sehr schnell auf 0 zurück. Dies bedeutet, je kürzer dieser Abschnitt ist, desto kleiner sind die Lebensdauern und/oder es wurden besonders viele freie Ladungsträger mit hohen Mobilitäten erzeugt.
Abschnitt V:
Material liegt im Ausgangszustand vor.
Dass sich die Ladungsträger-Rekombinationszeit erst ab dem zeitlichen Abschnitt II. verstärkt auf die erzeugte THz-Feldstärke auswirkt, wird mittels Figur 10(a) verdeutlicht. Hier sind für drei verschiedene Rekombinationszeiten emittierte THz-Feldstärken berechnet. Als Material wurden verschiedene LT GaAs Proben untersucht, die bei verschiedenen Temperaturen gewachsen wurden (250°C, 400°C, 700°C). LT GaAs hat nicht immer die gleiche Rekombinationszeit (LT bedeutet „low temperature grown") . Je tiefer die Tempera¬ turen, bei denen der Kristall gewachsen wurde, desto mehr Gitterdefekte sind vorhanden, was zur Folge hat, dass die Rekombinationszeiten erzeugter Ladungsträger kleiner werden. Das zeitlich ausgedehnte Abklingverhalten der THz-Feldstärke für längere Rekombinations¬ zeiten bewirkt darüber hinaus, dass sich die THz- Spektren einschnüren und zu kürzeren Wellenlängen hin verschieben (Figur 10(b)) .
Mit einer genauen Analyse der verschiedenen empfange¬ nen THz-Charakteristiken (Polarität, Amplitude, zeit¬ licher und spektraler Verlauf usw.) können daher aus der grenzflächenbasierten THz-Emission verschiedenste Eigenschaften des Verbundsystems V bzw. der Einwirkung der beiden Materialien aufeinander (beispielsweise Grenzflächenfeldstärke, Ladungsträgermobilität in den beiden Materialien, Rekombinationszeiten in den beiden Materialien etc.) berührungslos gewonnen werden. Damit ist insbesondere eine in-line- Charakterisierung bei der Solarzellenproduktion möglich. Figur 8 skizziert, wie im Rahmen einer (z.B. mittels einer der vorbeschriebenen Untereinheiten) geeignet zur Analyse des zeitlichen Verlaufs von empfangenen THz-Pulsen ausgebildeten Detektionseinheit 3 die Polarität des elektromagnetischen Feldes an der Grenz- fläche g untersucht werden kann: Figur 8 zeigt den zeitlichen Verlauf von mehreren für unterschiedliche Proben eines Übergangs von ml = p-InP zu m2 = n-InP eines entsprechenden Verbundsystems V und wie die Polarität der erzeugten THz-Pulse von der Probe ab- hängt. Es ist hierbei untersucht worden, ob die maximale Amplitude der Grenzflächenfeldstärke beim Über¬ gang vom Material ml zum Material m2, hier also bei einem entsprechenden p-n-Übergang, ein positives oder eine negatives Vorzeichen trägt (141 ... 182 sind Be- Zeichnungen für verschiedene Proben eines InP-p-n-
Übergangs) . Bei den in Figur 8 gezeigten Messkurven handelt es sich somit um emittierte THz-Pulse unterschiedlich prozessierter Solarzellen. Dabei zeigen beispielsweise die Proben 181 und 182 deutlich entgegengesetzte Polaritäten (181: positive Polarität, 182: negative Polarität). Bei der Probe 181 war somit während der Prozessierung die
Invertierung der Grenzschicht nicht erfolgreich. Das heißt, im Gegensatz zur Probe 182, dass an der Oberfläche kein p-n-Übergang realisiert worden ist, was 06480
41 zur Folge hat, dass dort keine Umpolung des Oberflächenfeldes bzw. Grenzflächenfeldes erfolgt und die Solarzelle nicht funktionstüchtig ist. Somit kann schon während der Herstellung der Solarzellen deren Funktionstüchtigkeit überprüft werden, da das erfindungsgemäße Messverfahren keine fertig kontaktierten Schichten benötigt.
Erfindungsgemäß sind auf Basis der zeitlich aufgelöst erfassten THz-Pulse die folgenden weiteren Materialparameter und/oder Eigenschaften ableitbar:
Liegt ein inhomogenes Grenzflächenfeld vor, so liegt keine ausgezeichnete Richtung der Ladungsträgerbeschleunigung vor. Das aus einem solchen Grenzflächenfeld resultierende THz-Signal ist nicht mehr hochgradig linear polarisiert. Das heißt, das elektrische Feld der THz-Welle schwingt nicht in einer Ebene. Mit Hilfe des Polarisators 21 kann der Grad der Polarisation bestimmt werden. Folglich lässt sich aus dieser Messung die Homogenität des Grenzflächenfeldes bestimmen .
Für Halbleiter mit sehr kurzen Ladungsträgerlebensdauern (ca. < 1 bis 3 Pikosekunden) lässt sich die Ladungsträgerlebensdauer alleine aus der abfallenden Flanke (Zeitbereich III., vgl. Figur 7(b)) des THz- Pulses vermessen, da dieser Bereich alleine aus dem Rekombinationsverhalten des bzw. der Halbleiter ( s ) im Grenzflächenbereich resultiert. Je zeitlich ausgedehnter diese Flanke ist, desto länger sind die Rekombinationszeiten. Die ansteigende Flanke wird bei solchen Materialien mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer vom Anregungslaser (Laserpulsdauer) bestimmt und ist materialunabhängig. Bei Halbleitern mit längerer Ladungsträgerlebensdauer rauss allerdings die gesamte Pulsbreite des empfangenen THz-Pulses betrachtet werden, da hier die freigesetzten Photoströme (bewegte Ladungsträger) zeitlich akkumulieren, also auch noch nach dem Einwirken des Laserpulses L weiterhin ansteigen. Bei solchen Materialien muss somit auch die ansteigende Flanke betrachtet werden.
Je höher die Ladungsträgermobilität von freigesetzten Ladungen ist, desto höher ist die Beschleunigung. Aus diesem Grund führen höhere Mobilitäten zu höheren THz-Ausbeuten, sodass sich die Amplitude der erzeugten THz-Feldstärke erhöht. Aus vergleichenden Messungen der Amplitude können Ladungsträgermobilitäten gewonnen werden.
Die Amplitude des aus dem Grenzflächenbereich g abgestrahlten THz-Feldes wird durch die Auskoppeleffizi¬ enz, durch die Laserstrahleinkopplung sowie durch den Feldlinienverlauf im Grenzbereich g beeinflusst. Die¬ se Eigenschaften werden durch Oberflächenrauigkeiten der Halbleiter an der Grenzfläche mitbestimmt. Folg¬ lich ermöglichen Analysen des THz-Feldes (Amplitude oder auch Spektrum mittels Fouriertransformation) die Messung der Oberflächenbeschaffenheiten der Materialien. Im Vorfeld sind hierzu in der Regel Kalibrierungsmessungen identischer Halbleiter mit unterschiedlichen, bekannten Oberflächenrauigkeiten durch¬ zuführen .
Ganz generell sind auch bei den vorbeschriebenen Messungen zur Ladungsträgerlebensdauer in der Regel Kalibrierungsmessungen mit Proben bekannter Lebensdauern durchzuführen.
Bei einigen zu untersuchenden Materialparametern sind, um hochgenaue und eindeutige Aussagen zu diesen 0
43
Materialparametern zu erhalten, zusätzlich zu Kalibrierungsmessungen physikalische Modelle einzusetzen. Die aus den entsprechenden Berechnungen zu schließenden theoretischen Voraussagen über die THz-Emission (Pulsform, Spektrum) ermöglichen dann beispielsweise durch Fitten von Simulationsparametern (angenommene Materialparameter) eine genaue Quantifizierung der Materialien . Ein Programm zur Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann darüberhinaus auch die folgenden Arbeitsschritte durchlaufen ( Feinabgleich der optimalen Emissionswellenlänge XR) : 1. Manuelles Einstellen eines groben Frequenzbereiches beispielsweise über die Einheiten 5, 6.
2. Auffinden der maximalen THz-Amplitude in diesem Teilbereich des vordefinierten Wellenlängen- bereichs des Lasersystems 1 bei niedrigen Anre¬ gungsleistungen durch Durchfahren der einzelnen Wellenlängen des Teilbereichs. Niedrige Anregungsleistungen sind hierbei vorteilhaft, um ein Ausbleichen des untersuchten Verbundsystems V zu vermeiden, da sich dadurch auch die Absorptionslängen bzw. die Absorptionskoeffizienten l und a2 der beiden Materialien ml und m2 ändern können. Sobald die maximale THz-Emissionsintensität erzielt wird, befindet man sich mit der aktuell eingestellten und vermessenen Wellenlänge im
Ein lussbereich des Grenzflächenfeldes.
3. Auswerten der verschiedenen Charakteristiken, wie vorbeschrieben beispielsweise Analyse der Polarität des THz-Feldes zur Bestimmung der
Richtung der Energiebinderkrümmung, Messung der zeitlichen Ausdehnung des THz-Pulses zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer usw .

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zur Charakterisierung der energetischen Wirkung, die ein erstes Material (ml) eines Verbundsystems (V) , insbesondere eines Halbleiterschichtsystems, von zwei unterschiedlichen Materialien (ml, m2) im Bereich der Materialgrenzfläche (g) zwischen den beiden Materialien (ml, m2) auf das zweite Material (m2) des Verbundsystems (V) ausübt, auf Basis von im Bereich der Materialgrenzfläche (g) emittierter Terahert z-Strahlung, umfassend: Ein innerhalb eines vordefinierten Wellenlängenbereichs durchstimmbares , bevorzugt Laserpulse (L) im Femtosekundenbereich erzeugendes Lasersystem ( 1 ) , ein im Strahlengang des Lasersystems (1) liegendes Probenvolumen (2), in dem das Verbundsystem (V) angeordnet ist oder angeordnet werden kann, und eine zum Erfassen und zum Auswerten von mittels eingestrahlter Laserstrahlung (L) im Verbundsystem (V) erzeugten und von ihm (V) emittierten Terahert z-Signalen (T) ausgebildete und angeordnete Detektionseinheit (3), wobei das Lasersystem (1) eine Abstimmeinheit (4) aufweist, mit der die Emissionswellenlänge λ des Lasersystems (1) auf diejenige Wellenlänge AR des vordefinierten Wellenlängenbereichs einstellbar ist, bei der das Verhältnis R=al/a2 des Absorptionskoeffizienten od des ersten Materials ml und des Absorptionskoeffizienten a2 des zweiten Materials m2 den kleinstmöglichen Wert aufweist, und/oder auf eine Wellenlänge XR aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich einstellbar ist, bei der dieses Verhältnis R=al/a2 kleiner als ein vordefinierter Wert ist, der kleiner als 1.0 ist, wobei R bevorzugt kleiner 0.5, bevorzugt kleiner 0.33, bevorzugt kleiner 0.25, bevorzugt kleiner 0.15, bevorzugt kleiner 0.1, bevorzugt kleiner 0.05 ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass die Abstimmeinheit (4) umfasst: • einen Speicher (7), in dem mindestens eine Zuordnungstabelle (8) abgelegt ist oder ab¬ legbar ist, die einer Mehrzahl von vorgegebe¬ nen Verbundsystemen (V) und/oder ersten und zweiten Materialien (ml, m2) jeweils eine Wellenlänge, mehrere Wellenlängen und/oder einen Wellenlängen-Teilbereich aus dem vorde¬ finierten Wellenlängenbereich zuordnet,• eine Auswahleinheit (9) , mit der ein Verbund¬ system (V) und/oder ein definiertes 2-Tupel von zwei unterschiedlichen Materialien (ml, m2) auswählbar ist, und • eine Regeleinheit (10) , mit der die Emissionswellenlänge λ des Lasersystems unter Her¬ anziehen der mindestens einen Zuordnungstabelle auf die oder auf eine der dem ausge¬ wählten Verbundsystem (V) und/oder 2-Tupel zugeordnete (n) Wellenlänge (n) festlegbar ist und/oder mit der der dem ausgewählten Ver- bundsystem (V) und/oder 2-Tupel zugeordnete Wellenlängen-Teilbereich festlegbar ist, und/oder dass die Abstimmeinheit (4) umfasst: • eine Eingabeeinheit (5), mit der eine Wellenlänge aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich und/oder ein Wellenlängen-Teilbereich aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich eingebbar und/oder einstellbar ist, und• eine Regeleinheit (6), mit der die Emissionswellenlänge λ des Lasersystems auf die eingegebene und/oder eingestellte Wellenlänge festlegbar ist und/oder mit der der eingegebene und/oder eingestellte Wellenlängen- Teilbereich festlegbar ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmeinheit (4) eine Wellenlängenbe- reichs-Durchstimmeinheit (11) aufweist, mit der Wellenlängen aus dem festgelegten Wellenlängen- Teilbereich auswählbar sind, bevorzugt durch kontinuierliches Durchfahren des Wellenlängen- Teilbereichs, und mit der, auf Basis von für diese ausgewählten Wellenlängen mit der Detekti- onseinheit (3) erfassten und hinsichtlich der empfangenen Signalintensität ausgewerteten Terahert z-Signalen (T) , diejenige dieser ausge¬ wählten Wellenlängen als Emissionswellenlänge λ des Lasersystems einstellbar ist, für die die empfangene Signalintensität maximal ist und/oder dass die Abstimmeinheit ein Spektrometer umfasst, mittels dessen die Transmissionsspektren des ersten und des zweiten Materials bestimmbar sind und daraus die Wellenlänge AR, auf die die Emissionswellenlänge λ des Lasersystems einzustellen ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aufteilung des Strahlengangs des Lasersystems (1) auf eine optische Verzögerungsstrecke (12) und auf eine Messstrecke (13) , wobei das Probenvolumen (2) in der Messstrecke (13) liegt, wobei die Strahlengänge der optischen Verzögerungsstrecke (12) und der Messstrecke (13) in der Detektionseinheit (3) zusammengeführt sind und wobei die Detektionseinheit (3) einen phasensensitiven Terahertz-Detektor, insbesondere ein photoleitendes Antennensystem, umfasst und/oder als Detektionseinheit (3) ausgebildet ist, mit der der zeitliche Verlauf der Terahertz-Signale (T) erfassbar und auswertbar ist, und/oder dadurch, dass die Vorrichtung ein Terahertz- Zeitbereichsspektrometer umfasst und die Detektionseinheit (3) als Empfangseinheit dieses Spektrometers ausgebildet ist, wobei bevorzugt im Strahlengang vor der Detektionseinheit (3) eine die Terahertz-Signale (T) auf die Detektionseinheit (3) fokussierende Terahertz-Linse (14), insbesondere eine siliziumbasierte Terahertz-Linse, und/oder eine mehrere Parabolspiegel umfassende und die Terahertz-Signale (T) auf die Detektionseinheit (3) fokussierende Fokussiereinheit angeordnet ist/sind . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das durchstimmbare Lasersystem (1) neben einem Laser (la), insbesondere einem Ti3+ : Al203-Laser, einen den durchstimmbaren Wellenlängenbereich dieses Lasers aufweitenden optisch- parametrischen Oszillator (OPO, 17), der bevorzugt im Strahlengang der Messstrecke (13) angeordnet ist, aufweist und/oder dass das durchstimmbare Lasersystem (1) als OPO-System, insbesondere als Einzelresonanz-OPO-System, aus gebildet ist und/oder dass der vordefinierte Wellenlängenbereich der Bereich zwischen 300 nm und 2000 nm ist und/oder dass mit dem Lasersystem bevorzugt Laserpulse (L) mit einer Dauer von kleiner gleich 150 fs erzeugbar sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Detektionseinheit (3) eine, mehrere oder al le der folgenden Untereinheiten umfasst: • Eine Untereinheit, mit der verschiedene zeitliche Abschnitte eines empfangenen Terahertz- Signals, insbesondere eines empfangenen Terahertz-Pulses, voneinander trennbar und voneinander getrennt auswertbar sind und/oder durch Vergleich miteinander auswertbar sind,• eine Untereinheit, mit der Amplituden, die maximale Amplitude und/oder das Vorzeichen der maximalen Amplitude eines empfangenen Terahertz-Signals, insbesondere eines empfangenen Terahertz-Pulses, bestimmbar und auswertbar ist/sind, • eine Untereinheit, mit der der spektrale Verlauf eines empfangenen Terahertz-Signals, insbesondere eines empfangenen Terahertz- Pulses, bestimmbar und auswertbar ist,• eine Untereinheit, mit der, bevorzugt mittels eines im Strahlengang zwischen dem Probenvo¬ lumen und der Detektionseinheit (3) angeord¬ neten Polarisators, die Polarisationseigenschaften, insbesondere der Polarisationsgrad, eines empfangenen Terahertz-Signals, insbesondere eines empfangenen Terahertz-Pulses, bestimmbar und auswertbar ist/sind, • eine Untereinheit, mit der eine definierte Zeitdauer und/oder eine zeitabhängige Größe eines empfangenen Terahertz-Signals, insbesondere die Gesamtdauer und/oder die Dauer der ansteigenden Flanke, der abfallenden Flanke oder beider dieser Flanken eines emp¬ fangenen Terahertz-Pulses, bestimmbar und auswertbar ist/sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein oder mehrere Sensor (en) (15), insbesondere ein Temperatursensor und/oder ein Drucksensor, vorgesehen ist/sind, mit dem/den eine oder mehrere physikalische und/oder chemische Größe (n), insbesondere die momentane Temperatur und/oder der momentane Druck, im Probenvolumen und/oder am Verbundsystem messbar ist/sind, und dass mit der Abstimmeinheit (4) die Emissionswellenlänge λ des Lasersystems (1) unter Berücksichtigung nicht nur der beiden Materialien (ml, m2) des Verbundsystems (V), sondern auch der gemessenen physikalischen und/oder chemischen Größein) einstellbar ist und/oder dass mit der De- tektionseinheit (3) das Erfassen und/oder Auswerten unter Berücksichtigung der gemessenen physikalischen und/oder chemischen Größe (n) durchführbar ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bevorzugt nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine oder mehrere physikalische und/oder chemische Größe (n), insbesondere die momentane Temperatur und/oder den momentanen Druck, im Probenvolumen (2) und/oder am Verbundsystem (V) verändernde Einheit (16), insbesondere eine Kühlkammer und/oder eine Druckkammer, vorgesehen Produktionsanlage, insbesondere Inline- Produktionsanlage, zum Herstellen und Überprüfen von Verbundsystemen (V) , insbesondere in Form von oder umfassend Halbleiterschichtsysteme (n) , Solarzellen, DünnschichtSolarzellen, Leuchtdioden, organische (n) Leuchtdioden und/oder Mikro- chips, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein Teilabschnitt der Produktionsanlage mindestens eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Verfahren zur Charakterisierung der energetischen Wirkung, die ein erstes Material (ml) eines Verbundsystems (V) , insbesondere eines Halbleiterschichtsystems, von zwei unterschiedlichen Materialien (ml, m2 ) im Bereich der Materialgrenzfläche (g) zwischen den beiden Materialien (ml, m2 ) auf das zweite Material (m2) des Verbundsystems (V) ausübt, auf Basis von im Bereich der Materialgrenzfläche (g) emittierter Terahertz-Strahlung, umfassend die folgenden Schritte, die bevorzugt unter Einsatz einer Vorrichtung oder einer Produktionsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wer¬ den : Einstellen der Emissionswellenlänge λ eines innerhalb eines vordefinierten Wellenlängenbe¬ reichs durchstimmbaren Lasersystems (1) auf diejenige Wellenlänge AR, bei der das Verhältnis R=al/a2 des Absorptionskoeffizienten al des ersten Materials ml und des Absorptionskoeffizienten a2 des zweiten Materials m2 den kleinstmög- lichen Wert aufweist und/oder auf eine Wellenlänge ÄR aus dem vordefinierten Wellenlängenbereich, bei der dieses Verhältnis R= l/ 2 kleiner als ein vordefinierter Wert ist, der kleiner als
1.0 ist, wobei R bevorzugt kleiner 0.5, bevorzugt kleiner 0.33, bevorzugt kleiner 0.25, bevorzugt kleiner 0.15, bevorzugt kleiner 0.1, bevorzugt kleiner 0.05 ist,
Emittieren, mit dem Lasersystem (1) und mit dieser Emissionswellenlänge AR, von Lasersstrahlung (L) , bevorzugt von Laserpulsen im
Femtosekundenbereich,
Bestrahlen des im Strahlengang des Lasersystems (1) in einem Probenvolumen (2) angeordneten Verbundsystems (V) mit dieser Laserstrahlung (L) , und
Erfassen und auswerten von mittels der eingestrahlten Laserstrahlung (L) im Verbundsystem (V) erzeugten und von ihm (V) emittierten
Terahertz-Signalen (T) mit einer Terahertz- Detektionseinheit (3) .
Verwendung einer Vorrichtung, einer Produktionsanlage oder eines Verfahrens nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche zum Charakterisieren oder Überprüfen von Halbleiterschichtsystemen, Solarzellen, Dünnschichtsolarzellen, Leuchtdioden, organischen Leuchtdioden und/oder Mikrochips .
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