DE102011009937A1

DE102011009937A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung von Halbleiterschichten auf einem leitfähigen Substrat

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Publication number: DE102011009937A1
Application number: DE102011009937A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Konovalov Igor
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: DE102011009937B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten:
Kontaktieren des Substrats (3) mit einem ersten Abschnitt (2.1) einer planaren Mikrowellenleitung;
Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an einen zweiten Abschnitt (2.2) der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die nach oben weisende Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv erfolgt;
Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) in den ersten Abschnitt (2.1) der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung;
Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind;
Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Charakterisierung von Halbleiterschichten auf einem leitfähigen Substrat.
Der Wirkungsgrad eines solchen komplexen Bauelements wie einer modernen Dünnschichtsolarzelle hängt im Wesentlichen von den Eigenschaften der Schichten, insbesondere der beteiligten Halbleiterschichten, ab, aus den die Dünnschichtsolarzelle aufgebaut ist. Üblicherweise sind eine Anzahl Halbleiterschichten über einem Substrat vorhanden. Die Anzahl von Halbleiterschichten ist auf der dem Substrat abgewandten Seite durch eine transparente Schutzschicht, wie z. B. einer Glasschicht, abgeschlossen.
Es ist dabei schwierig, eine mögliche Fehlfunktion der Dünnschichtsolarzelle auf die jeweiligen Eigenschaften einer bestimmten Halbleiterschicht eindeutig zurückzuführen, da die einzelnen Halbleiterschichten in einer fertigen Dünnschichtsolarzelle nicht direkt untersucht werden können. Besonders schwierig sind Untersuchungen an Halbleiterschichten auf leitfähigen Substraten, wie z. B. auf solchen wie der metallische Rückkontakt einer Solarzelle. Interessant sind die Zusammensetzung, Struktur und die Bandlücke, aber vor allem die Eigenschaften der Ladungsträgern in den Schichten, wie die Netto-Ladungsträgerkonzentrationen von Majoritäts- und die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern.
Bisher konnte man die umfassende Analytik vor allem auf Volumenhalbleiterkristalle anwenden. Insbesondere haben sich in den letzten Jahren verschiedene Versionen des QSSPC-Verfahrens (quasi steady-state photo conductance) für die Bestimmung der Lebensdauer in Si durchgesetzt (Sinton et al. (1996), Appl. Phys. Lett., 69: 2510–2512). Bei dünnen Halbleiterschichten erfolgte dagegen die Charakterisierung elektrischer Eigenschaften meist anhand der Erfassung des Ladungstransports in den Halbleiterschichten in lateraler Richtung, wobei die Halbleiterschichten, zum Zwecke der Prüfung, zuvor auf ein nichtleitfähiges Substrat abgeschieden wurden. Bekannt ist ein Verfahren nach van der Pauw (1958, Philips Research Reports. 13, Nr. 1, 5. 1–9) zur Bestimmung der Parameter von Majoritätsladungsträgern.
Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: Erstens ist, bedingt durch die anisotrope polykristalline Struktur von dünnen Halbleiterschichten sowie durch den Verlauf der Korngrenzen, der Ladungstransport in der lateralen Richtung wesentlich verschieden vom Ladungstransport in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche. Nach der van der Pauw-Methode wird der laterale Transport untersucht, dagegen ist für die Funktion der Solarzelle der senkrechte Ladungstransport, insbesondere in der Absorberschicht, von großer Bedeutung.
Zweitens verläuft das Wachstum der Halbleiterschicht auf einem fremden, isolierenden Substrat in der Regel anders als auf dem elektrisch leitenden Rückkontakt einer Solarzelle. Durch diese zwei wesentliche Störungen sind die Messdaten von Teststrukturen auf fremden Substraten für die Eigenschaften von denselben Schichten in der Solarzelle nur bedingt bis nicht aussagefähig.
Es sind weitere Messverfahren bekannt. Elektrische Messungen der Änderung der Oberflächenspannung sowie Verfahren unter Verwendung einer Kelvinsonde sind schwer quantitativ auswertbar, da die Anfangs-Bandverbiegung nicht bekannt ist. Bei den optischen ellipsometrischen Messungen ist der Zusammenhang zwischen der optischen Absorption und dem DC-Ladungstransport nicht eindeutig. Außerdem erfordern ellipsometrische Messungen glatte Oberflächen und Grenzflächen. Zeitaufgelöste (transiente) Photolumineszenz (TRPL) wird angewandt, jedoch liegt die typische Lebensdauer, speziell in Dünnschichtsolarzellen, bereits in der Größenordnung der Pulsdauer eines typischen Pulslasers. Versuche, die senkrechte Leitfähigkeit direkt durch Aufbringen eines leitfähigen Kontaktes auf die Halbleiterschicht zu messen, scheitern wegen Shunts sowie wegen unbekannter und qualitativ ungenügender Kontakteigenschaften zum niedrigdotierten Halbleiter, z. B. einer Absorberschicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Bestimmen von Änderungen der Ladungstransporteigenschaften einer Halbleiterschicht zu finden, die Untersuchungen in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche und eine reproduzierbare Kontaktierung der Halbleiterschicht gestattet.
Die Aufgabe wird in einem Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten gelöst:

– Kontaktieren des Substrats mit einem ersten Abschnitt einer planaren Mikrowellenleitung;
– Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht an einen zweiten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die nach oben weisende Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv erfolgt;
– Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz in den ersten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung;
– Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind;
– Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfasst wird.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Auswertung der Änderung der stationären Mikrowellenleitfähigkeit der Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der äußeren energetischen Beeinflussung, ohne dass Transienten aufgenommen werden und es bei der Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration zum Mikrowellenresonanz kommt.
Die kapazitive Ankopplung der Halbleiterschicht an den zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung durch eine auf die Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebrachte Schicht (Flüssigkeitsschicht) einer dielektrischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Schichtdicke der Flüssigkeitsschicht konstant gehalten wird.
Eine energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht kann durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Eine energetische Beeinflussung kann sowohl in einer Erhöhung (z. B: Erwärmung, Anregung) als auch in einer Reduzierung (z. B. Abkühlung, Abschattung) der Halbleiterschicht bestehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht durch eine Änderung der Temperatur der Halbleiterschicht erfolgt.
Dies kann mittels Bestrahlung durch ein mit dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung verbundenes Kontaktierungselement der Flüssigkeitsschicht hindurch erfolgt. Das Kontaktierungselement und die Flüssigkeitsschicht sind dann im Wesentlichen für die verwendete Strahlung transparent.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können folgende zusätzliche Schritte erfolgen:

– Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und keine Halbleiterschicht vorhanden ist;
– Erfassen mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine Halbleiterschicht vorhanden ist.

Es ist dabei möglich, dass zeitlich aufeinanderfolgend elektromagnetische Wellen mit je einer Mikrowellenfrequenz aus einer gewählten Bandbreite von Mikrowellenfrequenzen in die Mikrowellenleitung eingekoppelt werden, bis eine Grenzfrequenz gefunden ist, durch die ein vorbestimmtes Auswahlkriterium erfüllt ist.
Ein solches vorbestimmtes Auswahlkriterium kann in der Bestimmung der Grenzfrequenz ω_G der Mikrowellen-Transmissionsfunktion bestehen, welche die Bedingung 1/ω_G C_H = R_H erfüllt, wobei R_H der elektrische Widerstand der Halbleiterschicht und C_H die bekannte Kapazität der Halbleiterschicht sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Berücksichtigung des Probenträgers einschließlich der Flüssigkeitsschicht durch Auswertung der Referenzmesswerten.
Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass, wenn mindestens eine Eigenschaft der Halbleiterschicht durch eine Änderung einer auf die Halbleiterschicht aufgebrachten Energie beeinflusst wird, die Beeinflussung zu einer erfassbaren Änderung der Grenzfrequenz führt.
Die Änderung der Grenzfrequenz kann mittels eines nach dem Lock-in-Prinzip arbeitenden Bauelements erfolgen.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet, gelöst. Die Anordnung ist zu beschreiben mit:

– einer planaren Mikrowellenleitung, die in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander separiert sind;
– Mitteln zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Substrats durch den ersten Abschnitt;
– Mitteln zur gesteuerten Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz und zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den ersten Abschnitt an einem Eingang der Mikrowellenleitung;
– einem Kontaktierungselement zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen dem zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt der Mikrowellenleitung, wobei das Kontaktierungselement mit der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv kontaktierbar ist;
– Mitteln zur Erfassung mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt an einem Ausgang der Mikrowellenleitung;
– Mittel zum Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfassbar ist.

Die planare Mikrowellenleitung kann durch flache Element gegeben sein, die für Mikrowellen leitfähig und zueinander beabstandet sind. Eine planare Mikrowellenleitung kann beispielsweise eine Streifenleitung sein, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei verläuft eine Streifenleitung parallel zu einer Plattenelektrode und ist von dieser durch ein nicht-leitendes Medium, z. B. Luft oder ein Werkstoff einer Halbleiterplatine, beabstandet.
Zur kapazitiven Kontaktierung der Halbleiterschicht ist eine Flüssigkeitsschicht einer dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen.
Es ist dabei von großem Vorteil, wenn ein Abstandshalter zur Konstanthaltung der Dicke der Flüssigkeitsschicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Kontaktierungselement vorhanden ist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn am Kontaktierungselement lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements gegenüber dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung und gegenüber der Halbleiterschicht angebracht sind.
In einer weiterführenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung können

– Mittel zum Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine metallische Referenzprobe ohne Halbleiterschicht und
– Mittel zum Vergleichen des bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens dem bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Referenzmesswert vorhanden sein.

Es ist eine bevorzugte Ausführung der Anordnung, wenn die Mittel zum Vergleich des mindestens einen erfassten Messwertes und des mindestens einen erfassten Vergleichsmesswertes oder Referenzmesswertes wenigstens ein nach dem Lock-in-Prinzip arbeitendes Bauelement enthalten.
In einer erfindungsgemäßen Anordnung wird eine kapazitive Ankopplung des Halbleiters durch die Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, z. B. Wasser oder Glyzerin, realisiert, womit die Kontaktproblematik vollständig gelöst ist. Diese Art und Weise der Kontaktierung der Oberfläche der Halbleiterschicht ist kaum empfindlich gegen lokale Kurzschlüsse wegen der fehlenden Halbleiterschicht (Shunts). Sie zerstört zudem die Halbleiterschicht nicht und ist, bei Zuhilfenahme eines Abstandhalters zur Gewährleistung einer konstanten Dicke der Flüssigkeitsschicht der Flüssigkeit, gut reproduzierbar. Im Gegensatz zum klassischen QSSPC wird nicht die Gleichstromimpedanz, sondern eine Mikrowellenimpedanz zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Mikrowellenleitung gemessen. Die Messung kann mit einem Netzwerkanalysator oder einfacher mit einem Mikrowellengenerator am Eingang und einem Mikrowellendetektor, z. B. einem Diodenmesskopf, am Ausgang realisiert werden.
Es ist in weiteren Ausführungen der Erfindung auch möglich, dass die Plattenelektrode streifenförmig ausgebildet ist.
Das Mikrowellensignal wird mittels lock-in-Technik in Taktung mit der energetischen Beeinflussung (z. B. mittels Bestrahlung) der Halbleiterschicht ausgewertet. Die Bestrahlung der Halbleiterschicht geschieht durch ein transparentes Kontaktierungselement, z. B. aus ITO-beschichtetem Glas.
Das Funktionsprinzip des Verfahrens kann so erklärt werden, dass durch die Änderung der Konzentration von Ladungsträgern, z. B. je nach Bestrahlungsintensität, unmittelbar der Widerstand des Halbleiters R_H beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Kapazität C_H durch die Halbleiterschicht selbst gebildet und ist durch die gegebene Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und die Abmessungen der Halbleiterschicht bekannt. Die Kapazität C_L der Flüssigkeitsschicht wird durch die verwendete Flüssigkeit vorgegeben und soll möglichst groß sein.
Bei einer Mikrowellenfrequenz wesentlich höher als die Grenzfrequenz ist der Blindwiderstand X(C_H) = 1/iω C_H sehr klein im Vergleich zu R_H. Somit ist R_H praktisch kurzgeschlossen und seine Änderung durch Bestrahlung oder andere energetische Beeinflussung beeinflusst nicht die Impedanz der Halbleiterschicht. Bei dieser hohen Mikrowellenfrequenz verhält sich der Probenhalter wie ein Kondensator mit einem reinen Blindwiderstand. Bei einer niedrigen Mikrowellenfrequenz wesentlich niedriger als die Grenzfrequenz ist 1/ω C_H » R_H so dass die Kapazität C_H der Halbleiterschicht vernachlässigbar ist. Eine Änderung von R_H führt zu einer großen Änderung der Impedanz. Es kann gezeigt werden, dass die Grenzbedingung 1/ω C_H = R_H bei einer Grenzfrequenz (ω_G = 1/(εε₀ρ)• (1) erfüllt wird.
Hier ist die Grenzfrequenz ω_G die Kreisfrequenz der Mikrowellenstrahlung entsprechend dem Grenzfall, εε₀ die absolute Dielektrizitätskonstante und ρ der spezifische Widerstand des Halbleiters. Da die Dielektrizitätskonstante für verschiedene Halbleiter bekannt ist und sich wenig ändert, ermöglicht die Messung der Grenzfrequenz ω_G eine unmittelbare Bestimmung des spezifischen Widerstands ρ des Halbleiters in der Halbleiterschicht.
Einer Frequenz von 1 GHz und ε = 10 entspricht der spezifische Widerstand ρ = 180 Ohm·cm. Dieser Wert entspricht in etwa einem unbeleuchteten schwachdotierten Solarzellenabsorber. Insofern kann der Widerstand der unbeleuchteten Halbleiterschicht bestimmt werden. Bei der Erhöhung der Intensität einer Bestrahlung (Belichtung) sinkt der spezifische Widerstand ρ und steigt die Grenzfrequenz ω_G. Zur Bestimmung der Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern nach dem QSSPC-Prinzip wird die Mikrowellenfrequenz konstant gehalten und die Bestrahlungsintensität wird variiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in a) einer seitliche Ansicht und b) in der Draufsicht;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung als Blockschaltbild und
3 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung als Ersatzschaltung.
Als wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Anordnung sind in 1a) ein Probenhalter 1 mit einem Kontaktfuß 8 zur Kontaktierung eines zweiten Abschnitts 2.2 einer als Streifenleitung 2 ausgebildeten planaren Mikrowellenleitung, ein horizontal angeordneter flächiger Träger 7 als Kontaktierungselement, der an seiner Unterseite mit einer Beschichtung 7.1 versehen ist, ein an einem Eingang der Streifenleitung 2 angeordneter Mikrowellengenerator 10 und ein an einem Ausgang der Streifenleitung 2 angeordneter Mikrowellendetektor 11 gezeigt.
Die Streifenleitung 2 ist über einer elektrisch leitfähigen Plattenelektrode 2.3 und von dieser beabstandet angeordnet und weist eine gleichmäßige Breite auf. Zwischen der Streifenleitung 2 und der Plattenelektrode 2.3 befindet sich ein elektrisch nicht leitender Kunststoff. Von dem Eingang (generatorseitig) der Streifenleitung 2 aus erstreckt sich ein erster Abschnitt 2.1 der Streifenleitung 2 parallel zu der Plattenelektrode 2.3 in Richtung des Ausgangs A (detektorseitig) der Streifenleitung 2. Der erste Abschnitt 2.1 ist von dem zweiten Abschnitt 2.2 durch einen Spalt separiert.
Auf dem zweiten Abschnitt 2.2 ist der Kontaktfuß 8 an demjenigen Ende des zweiten Abschnitts 2.2 aufgesetzt, der dem ersten Abschnitt 2.1 am nächsten liegt. Auf dem Kontaktfuß 8 ist der aus Glas bestehende Träger 7 horizontal aufgelegt, wobei die aus einer Schicht Indiumzinnoxid gebildete Beschichtung 7.1 auf dem Kontaktfuß 8 aufliegt und der Kontaktfuß 8 durch die Beschichtung 7.1 elektrisch leitend kontaktiert ist.
Der Träger 7 ragt, ausgehend von dem Kontaktfuß 8, über eine Teillänge des ersten Abschnitts 2.1. Zwischen dem ersten Abschnitt 2.1 und dem überragenden Teil des Trägers 7 ist ein elektrisch leitfähiges Substrat 3 mit einer darauf aufgebrachten Halbleiterschicht 4 so angeordnet, dass durch das Substrat 3 der erste Abschnitt 2.1 kontaktiert ist und die Halbleiterschicht 4 nach oben weist. Als Substrat 3 ist Kupfer, als Halbleiterschicht 4 ist eine Schicht CuInS₂ mit einer Schichtdicke von 1,5 μm gewählt. Eine Grundfläche des Substrats 3 mit der Halbleiterschicht 4 ist so breit wie die Breite des Streifenleiters 2.
Ein zwischen der Halbleiterschicht 3 und der Beschichtung 7.1 verbleibender Spalt ist mit einer Flüssigkeitsschicht 6, die durch Glyzerin gebildet ist, ausgefüllt. Die Flüssigkeitsschicht 6 ist von einem ringförmigen Abstandshalter 5 umgrenzt, dessen Aufgabe in der Zurückhaltung des Glyzerins sowie in der Gewährleistung eines vorbestimmten Abstands zwischen der Halbleiterschicht 4 und der Beschichtung 7.1 besteht. Die Halbleiterschicht 4 weist eine bekannte elektrische Kapazität C_H und einen elektrischen Widerstand R_H auf. Die Flüssigkeitsschicht 6 stellt eine Kapazität C_L dar.
Der Abstandshalter 5 kann in weiteren Ausführungen anders gestaltet sein. Er kann beispielsweise aus mindestens drei Kugeln, Ringsegmenten, z. B. aus Viton, oder sogar aus Tropfen eines Klebstoffs bestehen.
Der erste Abschnitt 2.1 und der zweite Abschnitt 2.2 sind durch den Probenhalter 1, die Flüssigkeitsschicht 6, die Halbleiterschicht 4 und das Substrat 3 kapazitiv gekoppelt.
Durch eine auf den Träger 7 wirkende Kraft F ist der Träger 7 auf den Kontaktfuß 8 und den Abstandshalter 5 gedrückt, wodurch sowohl der Träger 7 als auch der Abstandshalter 5 sowie das Substrat 3 gehalten sind.
Die Kraft F kann durch lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements (nicht gezeigt) wie Federsysteme oder Klemmvorrichtungen aufgebracht sein.
In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Halterung der Elemente des Probenhalters 1 auch anders, z. B. formschlüssig, bewirkt sein.
Der Träger 7 ragt, wie in 1 b) dargestellt, seitlich über die Streifenleitung 2. Die größere Breite des Trägers 7 ergibt denselben Wellenwiderstand über der Plattenelektrode 2.3, wie die Abschnitte des Streifenleiters 2.1 und 2.2, da der Träger 7 sich im größeren Abstand zur Plattenelektrode 2.3 befindet. Insofern wird eine reflexionsarme Kontaktierung der Probe (Substrat 3 mit Halbleiterschicht 4) erreicht.
Durch den Mikrowellengenerator 10 sind Mikrowellen in den Streifenleiter 2 und in die Plattenelektrode 2.3 einkoppelbar. Durch den Mikrowellendetektor 11 sind Mikrowellen detektierbar und an weitere Komponenten einer Anordnung weiterleitbar.
Oberhalb des Trägers 7 sind Mittel vorhanden (nicht gezeigt) durch die gesteuert eine bestimmte Energie durch den Träger 7, die Beschichtung 7.1 und die Flüssigkeitsschicht 6 auf die Halbleiterschicht 4 eingebracht werden kann. Die Elemente Träger 7, Beschichtung 7.1 und Flüssigkeitsschicht 6 sind für die Energie transparent, während durch die Halbleiterschicht 4 mindestens ein Teil der Energie absorbiert ist.
Aufbauend auf eine Anordnung gemäß 1 ist in 2 eine zweite Ausführung als Blockschaltbild gezeigt, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert werden soll.
In dem Probenhalter 1 ist, wie zu 1 beschrieben, ein Substrat 3 mit einer Halbleiterschicht 4 gehalten. Mittels des Mikrowellengenerators 10 werden Mikrowellen einer gewählten Mikrowellenfrequenz ω in den ersten Abschnitt 2.1 des Streifenleiters 2 und in die Plattenelektrode 2.3 eingekoppelt.
Durch den Mikrowellendetektor 11 werden detektorseitig nach dem Probenhalter 1 Mikrowellen detektiert und an einem mit dem Mikrowellendetektor 11 signalleitend verbundenen Lock-in-Verstärker 13 weitergeleitet. Die durch den Lock-in-Verstärker 13 gefilterten und verstärkten Signale werden auf einer Anzeige 14 dargestellt. Durch einen Taktgenerator 12, der mit einer Strahlungsquelle 9 und dem Lock-in-Verstärker 13 signalleitend verbunden ist, werden der Lock-in-Verstärker 13 und die Strahlungsquelle 9 getaktet. Durch eine getaktete Bestrahlung der Halbleiterschicht 4 und die entsprechend getaktete Filterung und Verstärkung der Signale wird eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung erreicht.
Die Strahlungsquelle 9 ist so gestaltet (z. B. als LED), dass durch sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Halbleiterschicht 4 aufgebracht wird. Träger 7, Beschichtung 7.1 sowie Flüssigkeitsschicht 6 sind so gewählt, dass sie für die Energie weitgehend transparent sind.
Durch die Wahl der Mikrowellenfrequenz ω der eingekoppelten Mikrowellen können durch den Mikrowellendetektor 11 frequenzspezifische elektrische Eigenschaften der Halbleiterschicht 4 erfasst werden. Die bei den jeweiligen gewählten Mikrowellenfrequenzen ω erfassten Messwerte können gespeichert und beliebig miteinander verglichen werden, wobei bei einer bestimmten Mikrowellenfrequenz ω erfasste Messwerte als Vergleichsmesswerte gewählt werden können.
Es ist möglich, durch eine Wahl verschiedener Mikrowellenfrequenzen ω eine Grenzfrequenz ω_G = 1/(εε₀ρ) zu ermitteln, für welche die Grenzbedingung 1/ω C_H = R_H gilt.
Bei dieser Grenzfrequenz wird das lock-in Signal um 3 dB im Vergleich zur Messung bei wesentlich niedrigeren Frequenzen abgeschwächt. Wenn die Grenzfrequenz ω_G für eine gegebene Probe und Messaufbau technisch nicht erreichbar ist, so kann die Grenzfrequenz durch Extrapolation der bei niedrigeren Frequenzen ermittelten Messdaten der Mikrowellentransmission mit Hilfe eines theoretischen Modells berechnet werden.
Zur genaueren Bestimmung der Auswirkung des Probenhalters 1 auf die Messwerte und zur Verwendung im theoretischen Modell kann eine Anzahl von Referenzmesswerten mit einer metallischen Referenzprobe durchgeführt werden, deren Höhe gleich der Dicke von Substrat 3 und Halbleiterschicht 4 ist, bei der jedoch die Halbleiterschicht 4 nicht aufgebracht ist. In der in 3 abgebildeten Ersatzschaltung fehlt dann Halbleiterschicht 4, so dass der Blindwiderstand der Flussigkeitsschicht 6 unmittelbar aus Mikrowellentransmission bestimmt werden kann. Aus diesen Messungen wird die Kapazität C_L mit systematisch veränderter Mikrowellenfrequenz ω erfasst und den jeweiligen Mikrowellenfrequenzen ω zugeordnet gespeichert.
Anschließend wird das die Halbleiterschicht 4 tragende Substrat 3 in den Probenhalter 1 eingelegt und dieselbe Folge von Mikrowellenfrequenzen ω durchfahren, um die jeweiligen Messwerte zu erfassen und zu speichern.
Bei Einkopplung von Mikrowellen mit der Grenzfrequenz ω_G werden dann Vergleichsmesswerte bei unterschiedlicher energetischer Beeinflussung der Halbleiterschicht 4 erfasst.
Das Messverfahren wurde mit folgenden Parametern implementiert: Messfrequenz 1–2 GHz, Schicht 1,5 μm CuInS₂ auf Kupfer als Substrat, periodisch modulierte Lichtquelle war eine LED mit großer spektraler Bandbreite (weiß) oder rot (etwa 640 nm), beide im Absorptionsbereich des Halbleiters der Halbleiterschicht 4. Als dielektrische Flüssigkeit wurde deionisiertes Wasser verwendet. Die Taktfrequenz des Taktgenerators 12 (lock-in Frequenz) betrug 65–80 Hz. Beobachtet wurde ein großes lock-in-Signal bei der niedrigen Frequenz von 1 GHz und eine wesentliche Abnahme des lock-in Signalpegels bei einer Erhöhung der Mikrowellenfrequenz ω. Das lock-in Signal verschwand sofort bei der Unterbrechung des Lichtstrahls.
In der 3 ist die erfindungsgemäße Anordnung als stark schematisiertes Ersatzschaltbild gezeigt. Die Halbleiterschicht 4 ist durch seine elektrischen Größen Widerstand R_H und Kapazität C_H dargestellt, die im Sinne eines Schwingkreises angeordnet sind. Die Flüssigkeitsschicht 6 ist durch seine Kapazität C_L gegeben.
Von dem Mikrowellengenerator 10 in den ersten Abschnitt 2.1 des Streifenleiters 2 eingekoppelte Mikrowellen werden durch das von R_H und C_H gebildete RC-Glied frequenzabhängig abgeschwächt. Das RC-Glied ist kapazitiv über C_L an den Probenträger 1 und den zweiten Abschnitt 2.2 gekoppelt. Durch den Mikrowellendetektor 11 sind die Mikrowellen an dem zweiten Abschnitt 2.2 erfassbar.
Die Erfindung kann auf den Gebieten der Messtechnik, der Charakterisierung von Halbleiterschichten, insbesondere bei der Entwicklung und Herstellung sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung von Dünnschichtsolarzellen und der Halbleitertechnik eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Probenhalter
2: Streifenleitung
2.1: erster Abschnitt
2.2: zweiter Abschnitt
2.3: Plattenelektrode
3: Substrat
4: Halbleiterschicht
5: Abstandshalter
6: Flüssigkeitsschicht
7: Träger
7.1: Beschichtung
8: Kontaktfuß
9: Strahlungsquelle
10: Mikrowellengenerator
11: Mikrowellendetektor
12: Taktgenerator
13: Lock-in-Verstärker
14: Anzeige
C_L: Kapazität (der Flüssigkeitsschicht 6)
C_H: Kapazität (der Halbleiterschicht 4)
R_H: elektrischer Widerstand (der Halbleiterschicht 4)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sinton et al. (1996), Appl. Phys. Lett., 69: 2510–2512 [0004]
van der Pauw (1958, Philips Research Reports. 13, Nr. 1, 5. 1–9) [0004]

Claims

Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten: Kontaktieren des Substrats (3) mit einem ersten Abschnitt (2.1) einer planaren Mikrowellenleitung; Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an einen zweiten Abschnitt (2.2) der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die nach oben weisende Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv erfolgt; Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) in den ersten Abschnitt (2.1) der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung; Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind; Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an den zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung durch eine auf die Oberfläche der Halbleiterschicht (4) aufgebrachte Schicht [Flüssigkeitsschicht (6)] einer dielektrischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Schichtdicke der Flüssigkeitsschicht (6) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischen Strahlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) durch eine Änderung der Temperatur der Halbleiterschicht (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung mittels Bestrahlung durch ein mit dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung verbundenes Kontaktierungselement der Flüssigkeitsschicht (6) hindurch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende zusätzliche Schritte erfolgen: – Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und keine Halbleiterschicht (4) vorhanden ist; – Erfassen mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und eine Halbleiterschicht (4) vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich aufeinanderfolgend elektromagnetische Wellen mit je einer Mikrowellenfrequenz (ω) aus einer gewählten Bandbreite von Mikrowellenfrequenzen (ω) in die Mikrowellenleitung eingekoppelt werden, bis eine Grenzfrequenz (ω_G) gefunden ist, durch die ein vorbestimmtes Auswahlkriterium erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Auswahlkriterium in der Bestimmung der Grenzfrequenz ω_G der Mikrowellen-Transmissionsfunktion besteht, die die Bedingung 1/ω_G C_H = R_H erfüllt, wobei R_H der elektrische Widerstand der Halbleiterschicht (4) und C_H die bekannte Kapazität der Halbleiterschicht (4) sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berücksichtigung des Probenträgers (1) einschließlich der Flüssigkeitsschicht (6) durch Auswertung der Referenzmesswerten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Eigenschaft der Halbleiterschicht (4) durch eine Änderung einer auf die Halbleiterschicht (4) aufgebrachten Energie beeinflusst wird, was zu einer erfassbaren Änderung der Grenz-Mikrowellenfrequenz (ω_G) führt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Grenzfrequenz (ω_G) mittels eines nach dem Lock-in-Prinzip arbeitenden Bauelements erfolgt.
Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet, mit: – einer planaren Mikrowellenleitung, die in einen ersten Abschnitt (2.1) und einen zweiten Abschnitt (2.2) unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt (2.1) und der zweite Abschnitt (2.2) voneinander separiert sind; – Mitteln zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Substrats (3) durch den ersten Abschnitt (2.1); – Mitteln zur gesteuerten Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz (ω) und zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den ersten Abschnitt (2.1) an einem Eingang der Mikrowellenleitung; – einem Kontaktierungselement zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen dem zweiten Abschnitt (2.2) und dem ersten Abschnitt (2.1) der Mikrowellenleitung, wobei das Kontaktierungselement mit der vom Substrat (3) abgewandten Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv kontaktierbar ist; – Mitteln zur Erfassung mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) an einem Ausgang der Mikrowellenleitung; – Mittel zum Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfassbar ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als planare Mikrowellenleitung eine Streifenleitung (2) vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur kapazitiven Kontaktierung der Halbleiterschicht (4) eine Flüssigkeitsschicht (6) einer dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandshalter (5) zur Konstanthaltung der Dicke der Flüssigkeitsschicht (6) zwischen der Halbleiterschicht (4) und dem Kontaktierungselement vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Kontaktierungselement lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements gegenüber dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung und gegenüber der Halbleiterschicht (4) angebracht sind.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin enhält: – Mittel zum Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und eine metallische Referenzprobe ohne Halbleiterschicht (4) vorhanden ist; und – Mittel zum Vergleichen des bei der Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens dem bei der Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Referenzmesswert.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleich des mindestens einen erfassten Messwertes und des mindestens einen erfassten Vergleichsmesswertes oder Referenzmesswertes wenigstens ein nach dem Lock-in-Prinzip arbeitendes Bauelement enthalten.