DE102008013068A1 - Local charge carrier lifetime determining method for e.g. partially processed solar cell in photovoltaic technology, involves determining value of local charge carrier lifetime for partial surfaces of semiconductor structure - Google Patents
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Abstract
Description
BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern in Halbleiterstrukturen.The The present invention relates to a method and an apparatus for the spatially resolved determination of carrier lifetimes in semiconductor structures.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Einer der entscheidenden Parameter zur Bestimmung der Qualität von Halbleitermaterialien ist die Ladungsträgerlebensdauer, also die mittlere Zeitdauer, die ein durch eine Anregung erzeugtes Elektron-Loch-Paar im Mittel im angeregten Zustand verweilt, bevor es durch Rekombination wieder seinen Ausgangszustand annimmt. Methoden zur Bestimmung dieses Materialparameters sind daher von entscheidender Bedeutung bei der Überwachung und Entwicklung von Prozessen, die solche Materialien betreffen.one the decisive parameter for determining the quality of semiconductor materials is the carrier lifetime, that is, the mean duration of time that one generated by an excitation Electron-hole pair dwells on average in the excited state before it returns to its initial state by recombination. methods for determining this material parameter are therefore of crucial importance in the monitoring and development of processes that such materials.
Insbesondere in der Photovoltaik, wo Solarzellen als großflächige Bauelemente aus möglichst preisgünstigen Halbleitermaterialien hergestellt werden, hat man es oft mit erheblichen räumlichen Inhomogenitäten der Ladungsträgerlebensdauer über die Fläche zu tun. Daher sind abbildende Verfahren, welche es ermöglichen, die Verteilung der Materialqualität, wie sie sich unter anderem in der lokalen Ladungsträgerlebensdauer ausdrückt, ortsaufgelöst zu bestimmen, hier von großer Bedeutung.Especially in photovoltaics, where solar cells as large-scale Components of low-cost semiconductor materials Often, you have it with considerable spatial Inhomogeneities of the carrier lifetime over to do the area. Therefore, there are imaging methods which allow the distribution of material quality, as expressed, inter alia, in the local charge carrier lifetime, Determine location-resolved, here of great importance.
Man unterscheidet prinzipiell zwischen statischen Verfahren, welche die Lebensdauer unter statischen Bedingungen, d. h. quasi-stationären Bedingungen, aus der Amplitude eines mit der Lebensdauer verknüpften Signals bestimmen und dynamischen Verfahren, welche die Lebensdauer aus dem dynamischen Verlauf eines mit der Lebensdauer verknüpften Signals bei Veränderung der Bedingungen (z. B. Injektionsniveau) bestimmen.you distinguishes in principle between static methods, which the life under static conditions, d. H. quasi-stationary Conditions, from the amplitude of a life-linked signal determine and dynamic procedures that extend the life the dynamic history of a life-linked one Signal when the conditions change (eg injection level) determine.
Die
bisher existierenden kamerabasierten Methoden zur Messung der Ladungsträgerlebensdauer, nämlich
ILM (Illuminated Lifetime Mapping), siehe z. B. Patentschrift
Die
ILM basiert auf der Emission/Absorption elektromagnetischer Strahlung
durch freie Ladungsträger im Material. Durch gepulste Anregung
von zusätzlichen Ladungsträgern mit Hilfe einer
modulierbaren Lichtquelle wird die Infrarot-Emission/Absorption
der freien Ladungsträger im Material erhöht, was
mit Hilfe einer geeigneten Infrarotkamera ortsaufgelöst
detektierbar ist. Die Bestimmung der Dichte der zusätzlich
durch das Licht angeregten freien Ladungsträger im Material
im Bereich einer spezifischen Teiloberfläche eines Halbleitersubstrates,
d. h. die Bestimmung der lokalen Überschussladungsträgerdichte Δn(x,
y), geschieht unter Verwendung einer Kalibrierung des Kamerasignals
mit Wafern bekannter Majoritätsladungsträgerdichte.
Eine wichtige Vorraussetzung ist dabei, dass die Kalibrierwafer
und die zu vermessenden Proben identische optische Eigenschaften
besitzen. Ferner muss eine homogene und bekannte Beleuchtungsintensität
und eine homogene Temperatur sowohl der zu vermessenden Probe als
auch des Hintergrundes gewährleistet werden und die Vorderseitenreflektion
der zu messenden Probe bei der Anregungswellenlänge muss
bekannt sein. Die Temperaturen müssen ferner bei der Kalibrierung
gleich gewählt werden wie bei der Messung. Sind diese Vorraussetzungen
gegeben, so kann aus der Messung der zusätzlichen Emission/Absorption
der in den zu untersuchenden Proben angeregten Überschussladungsträger,
welche üblicherweise mit einem Lock-in Verfahren durchgeführt
wird, direkt auf Δn(x, y) geschlossen werden. Zusammen
mit der bekannten Generationsrate G ergibt sich die Ladungsträgerlebensdauer
zu: 
Zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer auf optisch inhomogenen Proben wurde ein Verfahren vorgeschlagen, welches das gemessene ILM-Signal mit Hilfe eines Emissionsbildes auf eine den Kalibrierwafern entsprechende Optik umrechnet. Dieses Verfahren setzt einen linearen Zusammenhang zwischen der absoluten Emission eines Wafers und der zusätzlichen Emission durch die zusätzlich angeregten Ladungsträger voraus. Dieser lineare Zusammenhang ist bei Berücksichtigung von Reabsorptionsvorgängen im Material nicht exakt erfüllt und stellt daher nur eine Näherung dar.to Determination of the carrier lifetime on optically inhomogeneous Samples were proposed a method which measured the ILM signal with the help of an emission image on one of the calibration wafers corresponding optics converted. This method sets a linear Relationship between the absolute emission of a wafer and the additional issue by the additionally stimulated Charge carriers ahead. This linear relationship is at Consideration of reabsorption processes in the Material not met exactly and therefore provides only one Approximation.
Bei
Messungen der Photolumineszenz mittels PLI wird die Intensität
der strahlenden Rekombination mit Hilfe einer Si-CCD Kamera oder
einer InGaAs-Kamera gemessen. Diese Intensität ist von
der Ladungsträgerkonzentration im Material abhängig
gemäß:
Hierbei bezeichnet SPL die Signalstärke, B ist der Koeffizient der strahlenden Rekombination und n bzw. p die Elektronen bzw. Löcherkonzentration. Zusätzlich gehen in die mit Hilfe einer Kamera bestimmte Intensität Einflüsse der Optik der Probe und der Detektionswahrscheinlichkeit mit ein (COpt). Daher ist auch hier eine Kalibrierung notwendig um das gemessene Signal in absolute Lebensdauern umrechnen zu können. Ferner muss zur korrekten Bestimmung der Überschussladungsträgerkonzentration die Reabsorption der Lumineszenzphotonen im Material der zu untersuchenden Probe berücksichtigt werden, was die Kenntnis der Tiefenverteilung der Überschussladungsträgerdichte voraussetzt. Auch muss die Generationsrate G bekannt sein, was wiederum eine homogene und bekannte Beleuchtungsintensität sowie Vorderseitenreflektion der zu untersuchenden Probe voraussetzt. Neben Kalibrierung durch Vergleichmessungen mit anderen Methoden zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer wurde hier ein selbst-konsistentes Verfahren vorgeschlagen, welches bei dreiecksförmiger Anregung die Hysterese des Signals gegenüber der Anregung benutzt. Allerdings wird auch in diesem Verfahren die dynamische Methode der Hysterese nur benutzt, um einen Kalibrierfaktor zu bestimmen, mit dessen Hilfe das unter statischen Bedingungen gemessene Lumineszenzsignal in absolute Lebensdauern konvertiert wird. Daher nutzt auch dieses Verfahren die Vorteile dynamischer Methoden gegenüber statischen Methoden nicht.Here S PL denotes the signal strength, B is the coefficient of radiative recombination and n and p the electron and hole concentration, respectively. In addition, influences of the optics of the sample and the probability of detection are included in the intensity determined with the aid of a camera (C Opt ). Therefore, a calibration is necessary here in order to convert the measured signal into absolute lifetimes. Furthermore, for the correct determination of the excess charge carrier concentration, the reabsorption of the luminescence photons in the material of the sample to be examined must be taken into account, which presupposes the knowledge of the depth distribution of the excess charge carrier density. The generation rate G must also be known, which in turn requires a homogeneous and known illumination intensity as well as front reflection of the sample to be examined. In addition to calibration by comparison measurements with other methods for determining the charge carrier lifetime, a self-consistent method was proposed here, which uses the hysteresis of the signal with respect to the excitation in the case of triangular excitation. However, also in this method, the dynamic method of hysteresis is used only to determine a calibration factor with which the luminescence signal measured under static conditions is converted into absolute lifetimes. Therefore, this method does not use the advantages of dynamic methods over static methods.
Bei dynamischen Verfahren kann die Lebensdauer direkt aus dem zeitlichen Verlauf eines Signals bestimmt werden, welches proportional zur Konzentration der Ladungsträger in der zu untersuchenden Halbleiterstruktur ist. Daher hängt die bestimmte Lebensdauer bei dynamischen Methoden nicht von Vorfaktoren ab, welche die Amplitude des Signals beeinflussen können, wie z. B. die Detektionswahrscheinlichkeit eines Detektors oder das Emissionsvermögen der Probe. Solche dynamischen Verfahren sind daher prinzipiell robuster und können leichter für unterschiedliche Probenstrukturen eingesetzt werden.at Dynamic method can save the lifespan directly from the temporal Course of a signal to be determined, which is proportional to Concentration of the charge carriers in the examined Semiconductor structure is. Therefore, the specific life depends in dynamic methods, does not depend on pre-factors that determine the amplitude of the signal can affect, such. B. the detection probability a detector or the emissivity of the sample. Such Dynamic methods are therefore in principle more robust and can more easily used for different sample structures become.
Dynamische Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der Ladungsträgerlebensdauer werden bisher die Probe abrasternd Punkt für Punkt messend und erst anschließend zu einem Bild zusammenfügend eingesetzt. Dies führt zu langen Messzeiten, da für Proben einer Größe von bspw. 156·156 mm2 bei einer Auflösung von 250 μm pro Punkt 389.376 einzelne Messungen ausgeführt werden müssen. Bei einer Ladungsträgerlebensdauer von bspw. 1 ms benötigt jede Messung mindestens eine Zeit von ca. 10 ms. Damit ist eine Messdauer für die gesamte Probe von mindestens 65 min vorgegeben, die durch technische Verbesserungen nicht mehr verringert werden kann. Real existierende Messsysteme benötigen jedoch oft mehrere Messungen für jeden Punkt, um ein ausreichend starkes Signal zu erreichen, was typische Messdauern von oft mehreren Stunden bedeutet.Dynamic methods for the spatially resolved measurement of the charge carrier lifetime have been used to measure the sample by scanning it point by point and only then to assemble it into an image. This leads to long measuring times, since 389,376 individual measurements must be carried out for samples of a size of, for example, 156 × 156 mm 2 at a resolution of 250 μm per dot. With a carrier lifetime of, for example, 1 ms, each measurement requires at least a time of approximately 10 ms. This gives a measurement duration of at least 65 minutes for the entire sample, which can no longer be reduced by technical improvements. However, real-world measurement systems often require multiple measurements for each point to achieve a sufficiently strong signal, meaning typical measurement times of often several hours.
Die
am weitesten verbreitete abrasternde dynamische Methode ist die
MWPCD(microwave detected photo-conductance decay), die z. B. in
der deutschen Patentschrift
Existierende, statische Verfahren zur kamerabasierten Messung der Ladungsträgerlebensdauer benötigen aufwändige Kalibrierungen und haben das fundamentelle Problem, dass die ermittelten Lebensdauerwerte von den optischen Eigenschaften der Probe abhängen. Die bisher einzige vorgeschlagene dynamische Messmethode mit dreiecksförmiger Anregung benötigt immer noch die Kenntnis der Dotierkonzentration wie auch der Generationsrate – und damit der Vorderseitenreflektion der zu messenden Proben. Dynamische Methoden hingegen werden abrasternd durchgeführt und benötigen daher erhebliche Messdauern.existing, static methods for camera-based measurement of carrier lifetime need elaborate calibrations and have the fundamental problem that the determined lifetime values depend on the optical properties of the sample. The so far only proposed dynamic measuring method with triangular Excitation still requires knowledge of the doping concentration as well as the generation rate - and thus the front side reflection the samples to be measured. Dynamic methods, on the other hand, are being scanned performed and therefore require significant measurement.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Es kann daher ein Bedarf an einem Verfahren zum ortsaufgelösten Bestimmen der Ladungsträgerlebensdauer sowie an einer entsprechenden Vorrichtung bestehen, bei denen insbesondere die oben genannten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere kann ein Verfahren benötigt werden, welches die Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer unabhängig von der Kenntnis der Vorderseitenreflektion, Generationsrate, Probenoptik oder Dotierkonzentration erlaubt und welches somit eine Bestimmung der Lebensdauern auf beliebigen Proben ohne zusätzliche Messungen oder Kalibrierungen erlaubt. Ferner kann ein Verfahren angestrebt werden, bei dem die Verwendung einer Kamera für die Messung zudem geringe Messzeiten für große Proben bei gleichzeitig guter Ortsauflösung erlaubt.There may therefore be a need for a method for the spatially resolved determination of the charge carrier lifetime and for a corresponding device, in which, in particular, the above-mentioned problems of the prior art are at least partially overcome. In particular, a method may be required which allows the determination of the charge carrier lifetime independently of the knowledge of the front reflection, generation rate, sample optics or doping concentration and which thus a determination of the lifetimes on any samples without additional measurements or calibrations allowed. Furthermore, a method can be sought in which the use of a camera for the measurement also allows low measurement times for large samples with good spatial resolution.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This Requirements can be solved by the subject matter of the independent claims be fulfilled. Advantageous embodiments The present invention is defined in the dependent claims described.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen von Überschussladungsträgern in der Halbleiterstruktur innerhalb eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls; Bestimmen, gleichzeitig für jede einer Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur, jeweils von ortsabhängigen ersten Messwerten S1 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines ersten Zeitunterintervalls und von ortsabhängigen zweiten Messwerten S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervalls, wobei das erste Zeitunterintervall vor dem zweiten Zeitunterintervall endet; Ermitteln eines Wertes der lokalen Ladungsträgerlebensdauer für jede der Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur durch In-Relation-Setzen des jeweiligen ersten Messwertes S1 mit dem jeweiligen zweiten Messwert S2.According to one The first aspect of the present invention is a method for spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime proposed in a semiconductor structure, wherein the method comprising the steps of: generating excess charge carriers in the semiconductor structure within a predefinable excitation time interval; Determining, simultaneously for each of a plurality of sub-surfaces the semiconductor structure, each of location-dependent first Measured values S1 by integration of a concentration of the excess charge carriers dependent measurement signals within a first time subinterval and from location-dependent second measured values S2 by integrating from a concentration of the excess charge carriers dependent measurement signals within a second time subinterval, wherein the first time sub-interval before the second time sub-interval ends; Determining a value of the local carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of Semiconductor structure by putting in-relation of the respective first Measured value S1 with the respective second measured value S2.
Mit
anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß dem ersten Aspekt als auf der folgenden
Idee basierend angesehen werden:
In einer Halbleiterstruktur
werden Überschussladungsträger erzeugt, indem
die Halbleiterstruktur beispielsweise mit Licht beleuchtet wird.
Das Anregungszeitintervall, das heißt in diesem Fall die
Beleuchtungsdauer, kann vorgegeben werden. Es kann dabei vorteilhaft
sein, wenn die Anregungsintensität, das heißt
in dem Beispiel die Lichtintensität, möglichst
schnell von einem Ausgangswert auf einen Maximalwert ansteigt, beispielsweise innerhalb
von weniger als 5 μs. Anders ausgedrückt kann
der zeitliche Verlauf der Anregungsintensität ein Rechteckprofil
aufweisen mit einer steilen Flanke am Beginn und/oder am Ende des
Anregungszeitintervalls.In other words, the inventive method according to the first aspect can be considered to be based on the following idea:
In a semiconductor structure, excess charge carriers are generated by, for example, illuminating the semiconductor structure with light. The excitation time interval, that is to say the illumination duration in this case, can be preset. It may be advantageous if the excitation intensity, that is to say the light intensity in the example, rises as quickly as possible from an initial value to a maximum value, for example within less than 5 μs. In other words, the time profile of the excitation intensity may have a rectangular profile with a steep edge at the beginning and / or end of the excitation time interval.
Um die Ladungsträgerlebensdauer ortsaufgelöst bestimmen zu können, wird für jede einer Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur jeweils ein erster Messwert S1 und ein zweiter Messwert S2 durch Aufintegrieren eines von einer Konzentration der lokalen Überschussladungsträger abhängigen Messsignals bestimmt. Solche von der Überschussladungsträgerkonzentration abhängigen Messsignale können zum Beispiel die Infrarotemission bzw. Infrarotabsorption der Halbleiterstruktur sein, wobei die Emission/Absorption um so höher ist, je höher die lokale Überschussladungsträgerkonzentration ist. Alternativ kann als Messsignal auch die lokale Fotolumineszenz aufgrund strahlender Rekombination von Überschussladungsträgerpaaren gemessen werden.Around determine the carrier lifetime in a spatially resolved manner For each of a plurality of sub-surfaces is the semiconductor structure in each case a first measured value S1 and a second Measured value S2 by integrating one of a concentration of dependent on local excess charge carriers Measurement signal determined. Such from the excess charge carrier concentration dependent measurement signals can be, for example, the Infrared emission or infrared absorption of the semiconductor structure be, with the emission / absorption being higher, depending higher the local excess charge carrier concentration is. Alternatively, as a measuring signal, the local photoluminescence due to radiative recombination of excess charge carrier pairs become.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass das erste Zeitunterintervall, innerhalb dessen die ersten Messwerte S1 gemessen werden, vor dem zweiten Zeitunterintervall endet. Prinzipiell können das erste und das zweite Zeitunterintervall zum gleichen Zeitpunkt beginnen, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten enden. Es ist jedoch bevorzugt, dass das erste Zeitunterintervall endet, bevor das zweite Zeitunterintervall beginnt. Beide Zeitunterintervalle können dabei vorzugsweise innerhalb des Anregungszeitintervalls enden oder, alternativ, nach dem Anregungszeitintervall enden. Es kann dabei bevorzugt sein, dass das erste Zeitunterintervall im Bereich des Beginns des Anregungszeitintervalls liegt, das heißt, innerhalb eines Zeitraums, in dem die Überschussladungsträgerkonzentration noch zunimmt und noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat. Das erste Zeitunterintervall kann dabei kurz vor, exakt an oder kurz nach Beginn des Anregungszeitintervalls beginnen, beispielsweise weniger als 10 ms vor- bzw. nachher. Die Dauer des ersten Zeitunterintervalls sollte dabei so gewählt sein, dass auch am Ende des ersten Zeitunterintervalls die Überschussladungsträgerkonzentration noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat. Das zweite Zeitunterintervall kann dann so gewählt werden, dass es, zumindest zu einem großen Teil, in einem Zeitraum liegt, in dem die Überschussladungsträgerkonzentration einen quasi-stationären Zustand erreicht hat.Essential for the method according to the invention, that the first time subinterval, within which the first readings S1, before the second time sub-interval ends. in principle may be the first and second time subintervals for begin at the same time, but at different times end up. However, it is preferred that the first time subinterval ends before the second time sub-interval begins. Both time subintervals may preferably be within the excitation time interval or, alternatively, after the excitation time interval. It may be preferred that the first time subinterval in Range of the beginning of the excitation time interval, that is within a period of time in which the excess charge carrier concentration is still increasing and still no quasi-stationary state has reached. The first time subinterval may be shortly before, start exactly on or shortly after the start of the excitation time interval, for example less than 10 ms before or after. The duration of the first time subinterval should be chosen that also at the end of the first time subinterval, the excess charge carrier concentration has not yet reached a quasi-stationary state. The second time subinterval can then be chosen so that it, at least in large part, in a timeframe in which the excess charge carrier concentration has reached a quasi-stationary state.
Die innerhalb der beiden Zeitunterintervalle für jede der Teiloberflächen ermittelten Messwerte S1, S2 werden dann dazu verwendet, um für jede der Teiloberflächen die dort herrschende lokale Ladungsträgerlebensdauer zu ermitteln. Hierzu werden die beiden ortsabhängigen Messwerte S1, S2 zueinander in Relation gesetzt. Unter einem „In-Relation-setzen” kann hierbei verstanden werden, dass erst unter Berücksichtigung beider Messwerte S1 und S2 ein Wert für die lokale Ladungsträgerlebensdauer ermittelt werden kann, wohingegen die Kenntnis lediglich eines Messwertes nicht für die Ermittlung der Ladungsträgerlebensdauer genügt. Damit unterscheidet sich das „In-Relation-setzen” von einem reinen Mittelwert-Bilden, bei dem auch bereits die Kenntnis eines einzelnen Messwertes zu einer – wenngleich ungenaueren – Ermittlung eines Parameterwertes herangezogen werden kann. Das „In-Relation-setzen” kann beispielsweise das Bilden eines Quotienten S1/S2 der beiden Messwerte oder eine Differenzbildung S2–S1 sein. Es wird explizit darauf hingewiesen, dass mindestens zwei Messwerte S1, S2 für das anschließende In-Relation-setzen ermittelt werden, jedoch auch beliebig mehr Messwerte S1, S2, S3, ... innerhalb verschiedener Zeitunterintervalle ermittelt und dann in Relation gesetzt werden können. Beispielsweise kann ein zusätzlicher dritter Messwert ermittelt werden, der einem durch einen Untergrund oder ein Rauschen bedingten Beitrag Rechnung trägt.The measured values S1, S2 determined within the two time subintervals for each of the sub-surfaces are then used to determine the local charge carrier lifetime prevailing there for each of the sub-surfaces. For this purpose, the two location-dependent measured values S1, S2 are related to one another. In this context, an "in-relation setting" can be understood as meaning that a value for the local charge carrier lifetime can only be determined taking into account both measured values S1 and S2, whereas the knowledge of only one measured value does not suffice to determine the charge carrier lifetime. The "putting in-relation" thus differs from a pure mean value formation, in which even the knowledge of a single measured value leads to a - albeit inaccurate - determination of a parameter value can be used. The "putting into relation" can be, for example, the formation of a quotient S1 / S2 of the two measured values or a subtraction S2-S1. It is explicitly pointed out that at least two measured values S1, S2 are determined for the subsequent in-relation setting, but also arbitrarily more measured values S1, S2, S3,... Can be determined within different time subintervals and then put into relation. For example, an additional third measured value can be determined that takes account of a background or noise-related contribution.
Dadurch, dass erfindungsgemäß für jede Teilfläche einer Halbleiterstruktur jeweils zwei von der lokalen, instantanen Ladungsträgerkonzentration abhängige Messwerte S1, S2 bestimmt werden, wobei der erste Messwert S1 vorzugsweise während eines nicht-quasi-stationären Zustands der Überschussladungsträgeranregung ermittelt wird und der zweite Messwert S2 während eines quasi-stationären Zustands der Überschussladungsträgeranregung ermittelt wird, und die beiden Messwerte S1, S2 zueinander in Relation gesetzt werden, können externe Effekte wie beispielsweise die optischen Reflexionseigenschaften der Oberfläche der Halbleiterstruktur oder die räumliche Homogenität der zur Erzeugung der Überschussladungsträger verwendeten Anregung eliminiert werden. Die Messung der lokalen Ladungsträgerlebensdauer ist weitestgehend unabhängig von solchen äußeren Einflüssen und kann daher ohne vorhergehende oder parallele Kalibrierung durchgeführt werden. Ferner ist es dadurch, dass die Messung für mehrere Teiloberflächen der Halbleiterstruktur gleichzeitig stattfinden kann, möglich, eine sehr schnelle ortsaufgelöste Bestimmung der lokalen Ladungsträgerlebensdauer für eine gesamte Substratoberfläche durchzuführen.Thereby, that according to the invention for each partial area a semiconductor structure in each case two of the local, instantaneous Carrier concentration dependent measurements S1, S2 are determined, the first measured value S1 preferably during a non-quasi-stationary state the excess charge carrier excitation is determined and the second measured value S2 during a quasi-steady state State of excess charge carrier excitation determined , and the two measured values S1, S2 are related to one another can external effects such as the optical Reflection properties of the surface of the semiconductor structure or the spatial homogeneity of the generation the excess charge carriers used excitation be eliminated. The measurement of the local charge carrier lifetime is largely independent of such external Influences and can therefore without previous or parallel Calibration be performed. Furthermore, it is thereby that the measurement for several sub-surfaces of the Semiconductor structure can take place simultaneously, possible a very fast spatially resolved determination of the local Carrier lifetime for an entire substrate surface perform.
Nachfolgend werden weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem obigen ersten Aspekt beschrieben.following Be further features, advantages and embodiments the inventive method according to the described above first aspect.
Die Halbleiterstruktur, deren lokale Ladungsträgerlebensdauer ortsaufgelöst bestimmt werden soll, kann beispielsweise ein Wafer aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial sein.The Semiconductor structure, their local charge carrier lifetime can be determined spatially resolved, for example a wafer of silicon or other semiconductor material.
Die Halbleiterstruktur kann auch eine Halbleiterdünnschicht oder ein bereits teilweise prozessiertes Halbleiterbauelement wie beispielsweise eine teilweise prozessierte Solarzelle sein. Die Halbleiterstruktur kann eine homogene Oberfläche aufweisen, wie sie beispielsweise bei einkristallinen Halbleiterstrukturen anzufinden ist. Das Verfahren eignet sich aber insbesondere auch für Halbleiterstrukturen mit inhomogenen Oberflächen wie beispielsweise multikristallinen Halbleiterstrukturen oder Halbleiterstrukturen mit einer Oberflächentexturierung. Insbesondere bei Halbleiterstrukturen mit inhomogenen Oberflächen kommt der Vorteil des Verfahrens zum Tragen, dass die lokale Ladungsträgerlebensdauer unabhängig von den lokalen Reflexionseigenschaften der Halbleiterstruktur bestimmt werden kann.The Semiconductor structure can also be a semiconductor thin film or an already partially processed semiconductor device such as for example, be a partially processed solar cell. The Semiconductor structure may have a homogeneous surface, as for example in monocrystalline semiconductor structures is to be found. The method is also suitable in particular for semiconductor structures with inhomogeneous surfaces such as multicrystalline semiconductor structures or semiconductor structures with a surface texturing. Especially with semiconductor structures with inhomogeneous surfaces comes the advantage of the process to make the local charge carrier life independent determined by the local reflection properties of the semiconductor structure can be.
Innerhalb der Halbleiterstruktur können Überschussladungsträger während eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann die Halbleiterstruktur während des Anregungszeitintervalls von einer Lichtquelle flächig beleuchtet werden, so dass durch die Absorption des eingestrahlten Lichts Elektronen-Loch-Paare innerhalb der Halbleiterstruktur erzeugt werden. Die Konzentration der derart erzeugten Überschussladungsträger hängt dabei von der Intensität des eingestrahlten und in der Halbleiterstruktur absorbierten Lichts ab. Dabei kann die Intensität des eingestrahlten Lichts schnell von Null auf ein vorgegebenes Maximum ansteigen. Ein möglichst schnelles Ansteigen, das heißt eine möglichst steile Flanke der Anregungsintensität, ist dabei vorteilhaft für das Verfahren. Alternativ kann die Anregungsintensität auch von einem zuvor eingestellten Grundniveau, beispielsweise einer dauerhaft herrschenden Hintergrundbeleuchtung (Bias-Licht) während des Anregungszeitintervalls auf ein entsprechend höheres Anregungsniveau angehoben werden und danach wieder auf das Grundniveau absinken. Dadurch kann beispielsweise die Ladungsträgerlebensdauer auch in Abhängigkeit unterschiedlicher ursprünglicher Überschussladungsträgerkonzentrationen ermittelt werden.Within The semiconductor structure can excess charge carriers during a given excitation time interval to different Be generated manner. For example, the semiconductor structure may during the excitation time interval of a light source surface be illuminated so that by the absorption of the irradiated Light generated electron-hole pairs within the semiconductor structure become. The concentration of excess charge carriers generated in this way depends on the intensity of the incident and light absorbed in the semiconductor structure. It can the intensity of the incoming light quickly from zero rise to a predetermined maximum. A fast as possible Rise, that is a steep as possible flank the excitation intensity, is advantageous for the procedure. Alternatively, the excitation intensity also from a previously set basic level, for example one permanently prevailing backlight (bias light) during of the excitation time interval to a correspondingly higher excitation level be raised and then fall back to the baseline level. As a result, for example, the charge carrier lifetime also as a function of different original excess charge carrier concentrations be determined.
Die Messwerte S1 und S2, die durch Aufintegrieren einer von der Überschussladungsträgerkonzentration abhängigen Messgröße bestimmt werden, können erfindungsgemäß gleichzeitig für eine Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur bestimmt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen dynamischen Verfahren, bei denen eine lokale Ladungsträgerlebensdauer immer nur für eine einzelne Teiloberfläche der Halbleiterstruktur ermittelt wird und die Gesamtoberfläche der Halbleiterstruktur nach und nach abgescannt werden muss, was zu sehr langen Messdauern führt, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die ortsabhängige lokale Ladungsträgerlebensdauer gleichzeitig für großflächige Teilbereiche oder auch die Gesamtheit der Oberfläche der Halbleiterstruktur ermittelt werden. Dies ermöglicht sehr kurze Messdauern im Bereich von wenigen Sekunden. Für das gleichzeitige Bestimmen der Mehrzahl von Messwerten S1 bzw. S2 kann beispielsweise eine Kamera mit einem flächigen Detektor verwendet werden, wobei jedes einzelne der matrixartig angeordneten Pixel der Kamera jeweils eine der Mehrzahl von Teiloberflächen bezüglich von dort emittierter elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise infrarotem Licht, messen.The measured values S1 and S2, which are determined by integrating a measured quantity which depends on the excess charge carrier concentration, can be determined simultaneously for a plurality of partial surfaces of the semiconductor structure in accordance with the invention. In contrast to conventional dynamic methods, in which a local carrier lifetime is determined only for a single partial surface of the semiconductor structure and the entire surface of the semiconductor structure has to be scanned step by step, which leads to very long measurement times, the method according to the invention allows the location-dependent local carrier lifetime be determined simultaneously for large areas or the entirety of the surface of the semiconductor structure. This allows very short measuring times in the range of a few seconds. For the simultaneous determination of the plurality of measured values S1 or S2, for example, a camera with a flat detector can be used, wherein each one of the matrix-like pixels of the camera each one of the plurality of sub-surfaces with respect to elek emitted there elek electromagnetic radiation, such as infrared light.
Die auf diese Weise gemessenen ersten und zweiten Messwerte S1, S2 können anschließend für jede der Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur separat zur Ermittlung eines Wertes der lokalen Ladungsträgerlebensdauer herangezogen werden.The In this way, measured first and second measured values S1, S2 can subsequently for each of the plurality of sub-surfaces the semiconductor structure separately to determine a value of the local Charge carrier lifetime are used.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die lokale Ladungsträgerlebensdauer aus dem Quotienten S1/S2 eines jeweiligen ersten Messwertes S1 und eines jeweiligen zweiten Messwertes S2 ermittelt. Bei dieser speziellen Form des „In-Relation-setzens” fallen durch die Quotientenbildung Vorfaktoren, wie sie bei der Ermittlung der einzelnen Messwerte S1 bzw. S2 beispielsweise durch äußere Faktoren wie die lokal herrschende Reflexion, Inhomogenitäten bezüglich der lokal erzeugten Überschussladungsträgerkonzentration, Inhomogenitäten der lokalen Temperatur der Halbleiterstruktur, etc. auftreten, weg. Aufgrund der Tatsache, dass das erste Zeitunterintervall vor dem zweiten Zeitunterintervall endet, kann aus dem Quotienten S1/S2 die Ladungsträgerlebensdauer ermittelt werden.According to one Embodiment of the invention Method is the local charge carrier lifetime the quotient S1 / S2 of a respective first measured value S1 and a respective second measured value S2. At this special Form of "putting in relation" fall through the Quotient prefactors, as in the determination of each Measured values S1 and S2, for example, by external factors like the local ruling reflection, inhomogeneities the locally generated excess charge carrier concentration, Inhomogeneities of the local temperature of the semiconductor structure, etc. occur, away. Due to the fact that the first time subinterval ends before the second time subinterval, can from the quotient S1 / S2 the carrier lifetime are determined.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enden das erste und das zweite Zeitunterintervall beide innerhalb des Anregungszeitintervalls. Alternativ enden das erste und das zweite Zeitunterintervall beide nach dem Anregungszeitintervall. Am Beispiel einer Überschussladungsträgererzeugung durch Beleuchtung der Halbleiterstruktur mit Licht und Detektion einer von der lokalen Überschussladungsträgerkonzentration abhängigen Emission/Absorption von infrarotem Licht bzw. einer lokalen Lumineszenz durch Ladungsträgerrekombination mit Hilfe einer Kamera bedeutet dies, dass die Kamera zwei Bilder aufnimmt, wobei die beiden Zeiträume, innerhalb derer die Kamera das auftreffende Lichtsignal aufintegriert, beide während des Beleuchtungszeitintervalls enden (erste Alternative) oder nach Abschalten der Lichtquelle, das heißt nach dem Beleuchtungszeitintervall enden (zweite Alternative). Dadurch, dass das erste Zeitunterintervall vor dem zweiten Zeitunterintervall endet, können die ersten und zweiten Messsignale S1, S2 zu unterschiedlichen Zeiträumen innerhalb des Anregungszeitintervalls bestimmt werden, beispielsweise zu Anfang des Anregungszeitintervalls, wenn sich noch kein quasi-stationärer Zustand bezüglich der Überschussladungsträgerkonzentration eingestellt hat und gegen Ende des Anregungszeitintervalls, wenn die Überschussladungsträgerkonzentration einen quasi-stationären Wert angenommen hat. Entsprechendes gilt für eine Aufnahme der Messwerte S1, S2 nach Abschalten der Anregung, wenn die während des Anregungszeitintervalls erzeugte Überschussladungsträgerkonzentration von einem quasi-stationären Wert durch Rekombination der Überschussladungsträger allmählich auf Null bzw. einen Grundwert absinkt.According to one another embodiment of the present invention the first and the second time subintervals both within the Excitation time interval. Alternatively, the first and the second end Time subinterval both after the excitation time interval. Exemplary an excess charge carrier generation by illumination of the semiconductor structure with light and detection of one of the local excess charge carrier concentration dependent emission / absorption of infrared light or a local luminescence by charge carrier recombination With the help of a camera, this means that the camera has two pictures The two periods, within which the Camera integrates the incident light signal, both during the Lighting time interval ends (first alternative) or after switching off the light source, that is after the illumination time interval end (second alternative). By doing that, the first time subinterval before the second time subinterval ends, the first and second measurement signals S1, S2 at different time periods be determined within the excitation time interval, for example at the beginning of the excitation time interval, if no quasi-stationary Condition with respect to the excess charge carrier concentration has set and towards the end of the excitation time interval, if the excess charge carrier concentration a quasi-stationary value has assumed. The same applies for recording the measured values S1, S2 after switching off the excitation, if that during the excitation time interval generated excess charge carrier concentration from a quasi-steady state value by recombination of the excess charge carriers gradually decreases to zero or a base value.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung endet das erste Zeitintervall spätestens 10 ms, vorzugsweise spätestens 5 ms und stärker bevorzugt spätestens 1 ms nach dem Beginn oder, alternativ, nach dem Ende des Anregungszeitintervalls. Mit anderen Worten sollen die ersten Messwerte S1 möglichst zeitnah nach Einschalten bzw. Ausschalten der Anregungsquelle, beispielsweise der Lichtquelle zur Erzeugung der Überschussladungsträger, bestimmt werden. Innerhalb eines solchen Zeitunterintervalls nimmt die Überschussladungsträgerkonzentration aufgrund der mit der Anregung verbundenen Generation zusätzlicher Ladungsträger kontinuierlich zu bzw. nimmt bei Abschalten der Anregungsquelle von einem ursprünglichen quasi-stationären Ausgangswert kontinuierlich ab, hat jedoch noch nicht einen quasi-stationären Zielwert angenommen. Das erste Zeitunterintervall kann dabei gleichzeitig mit dem Anregungszeitintervall beginnen oder kurz vor bzw. nach diesem, beispielsweise 1 ms vor bzw. nach Beginn des Anregungszeitintervalls.According to one another embodiment of the present invention ends the first time interval at the latest 10 ms, preferably at the latest 5 ms and more preferably at the latest 1 ms after the beginning or, alternatively, after the end of the excitation time interval. In other words, the first measured values S1 should be as possible promptly after switching on or off the excitation source, for example the light source for generating the excess charge carriers, be determined. Within such a time subinterval, the excess charge carrier concentration decreases due to the generation associated with the stimulus Charge carrier continuously increases or decreases when switching off the source of excitation from an original quasi-stationary one Output value continuously, but does not yet have a quasi-stationary Target value accepted. The first time subinterval can be simultaneous start with the excitation time interval or just before or after this, for example, 1 ms before or after the start of the excitation time interval.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und zweiten Messwerte S1, S2 jeweils durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen über eine Integrationsdauer von weniger als 10 ms, vorzugsweise weniger als 5 ms und stärker bevorzugt weniger als 1 ms, bestimmt. Die Integrationsdauer kann dabei derart gewählt sein, dass die Überschussladungsträgerkonzentration während des ersten Zeitunterintervalls noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat. Da dieser quasi-stationäre Zustand um so schneller erreicht wird, je kürzer die Ladungsträgerlebensdauer ist, wird eine möglichst kurze Integrationsdauer angestrebt, um auch in der Lage zu sein, Halbleiterstrukturen mit sehr kurzen Ladungsträgerlebensdauern, beispielsweise im Bereich weniger μs, messen zu können. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass mit sinkender Integrationsdauer das Messsignal schwacher wird und damit ein Signal-Rausch-Verhältnis schlechter wird. Daher sollten Integrationsdauern von weniger als 100 μs in der Regel vermieden werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Integrationsdauer an die zu erwartende Lebensdauer einer spezifischen Halbleiterstruktur anzupassen.According to one Another embodiment, the first and second Measured values S1, S2 respectively by integration of one concentration the excess charge carrier dependent Measuring signals over an integration period of less than 10 ms, preferably less than 5 ms, and more preferably less than 1 ms, determined. The integration duration can be such be chosen such that the excess charge carrier concentration during the first time subinterval still no quasi-stationary State has reached. Because this quasi-stationary state the faster the charge carrier lifetime is, the faster it is achieved, the aim is a shortest possible integration period, also to be able to use semiconductor structures with very short Carrier lifetimes, for example in the range of a few μs, to be able to measure. However, it must be taken into account become, that with decreasing integration time, the measurement signal weaker becomes worse and thus a signal-to-noise ratio becomes. Therefore, integration times of less than 100 μs usually avoided. In particular, it can be beneficial be the integration time to the expected life of a adapt to specific semiconductor structure.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steigt eine Anregungsintensität, mit der die Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur erzeugt werden, innerhalb von weniger als 50 μs, vorzugsweise weniger als 20 μs und stärker bevorzugt weniger als 5 μs auf ein Maximum an. Mit anderen Worten soll eine Anregungsintensität, mit der Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur erzeugt werden, sich möglichst schnell von einem Anfangswert zu einem Endwert ändern. Der zeitliche Verlauf, mit dem sich die Anregungsintensität ändert, soll daher eine möglichst steile Anfangsflanke bzw. Endflanke aufweisen. Vorzugsweise weist der zeitliche Verlauf der Anregungsintensität ein Rechteckprofil auf. Je schneller die Anregungsintensität von einem Anfangsniveau, das heißt beispielsweise abgeschalteter Anregung oder Anregung mit einem Grundniveau (zum Beispiel Bias-Licht) auf ein Maximalniveau ansteigt, um so besser lassen sich Einflüsse aufgrund des zeitlichen Verlaufs der Anregungsintensität bei der nachfolgenden Ermittlung der lokalen Ladungsträgerlebensdauer vernachlässigen.According to a further embodiment of the present invention, an excitation intensity with which the excess charge carriers are generated in the semiconductor structure increases to a maximum within less than 50 μs, preferably less than 20 μs and more preferably less than 5 μs. With other wor An excitation intensity with which excess charge carriers are generated in the semiconductor structure should change as quickly as possible from an initial value to a final value. The time course with which the excitation intensity changes should therefore have the steepest possible starting edge or trailing edge. Preferably, the time profile of the excitation intensity has a rectangular profile. The faster the excitation intensity rises from an initial level, ie, for example, switched off excitation or excitation with a base level (eg, bias light) to a maximum level, the better the effects due to the time course of the excitation intensity in the subsequent determination of the local charge carrier lifetime can be neglected ,
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Überschussladungsträger mittels einer die Teiloberflächen der Halbleiterstruktur beleuchtenden Lichtquelle erzeugt. Es kann dabei jede beliebige Lichtquelle verwendet werden, beispielsweise Glühlampen oder Entladungslampen, wobei Lichtquellen, die schnell eine maximale Lichtemission erreichen können und die eine homogene Ausleuchtung ermöglichen, wie zum Beispiel LED-Arrays oder Laser, bevorzugt sein können. Die emittierte Lichtintensität kann dabei möglichst hoch gewählt werden, um starke Messsignale zur Ermittlung der ersten und zweiten Messwerte S1, S2 zu erhalten. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die emittierte Lichtintensität entsprechend einer beim späteren Einsatz der Halbleiterstruktur verwendeten Lichtintensität zu wählen. Wenn es sich bei der Halbleiterstruktur um eine Solarzelle handelt, kann zum Beispiel eine Lichtintensität, die normaler Sonneneinstrahlung entspricht, wünschenswert sein, um die Ladungsträgerlebensdauer bei einer solchen Lichtintensität ermitteln zu können.According to one another embodiment of the present invention the excess charge carriers by means of a Partial surfaces of the semiconductor structure illuminating light source generated. Any light source can be used, For example, incandescent or discharge lamps, wherein light sources, which can quickly reach a maximum light emission and which allow a homogeneous illumination, such as Example LED arrays or lasers, may be preferred. The emitted light intensity can be as possible be chosen high to provide strong measurement signals for detection of the first and second measured values S1, S2. It can, however be advantageous, the emitted light intensity corresponding to a used in later use of the semiconductor structure Light intensity to choose. When it comes to the semiconductor structure is a solar cell, for example, a light intensity, the normal solar radiation corresponds, desirable be to the charge carrier life in such a Be able to determine light intensity.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die ortsabhängigen ersten und zweiten Messwerte S1, S2 mit Hilfe einer Kamera bestimmt werden. Die Kamera kann dabei einen flächigen Detektor mit matrixartig angeordneten Pixeln aufweisen. Jedes Detektorpixel kann die von einer zugeordneten Teiloberfläche der Halbleiterstruktur emittierte elektromagnetische Strahlung detektieren und über ein entsprechendes Zeitunterintervall hinweg aufintegrieren. Der Detektor soll dabei ausreichend empfindlich sein, um bei kurzen Integrationsintervallen trotzdem ein ausreichend starkes Messsignal zu liefern. Geeignete Detektoren sind zum Beispiel GaAs-Detektoren (Gallium-Arsenid-Detektoren), InSb-Detektoren (Indium-Antimonid-Detektoren), QWIP-Detektoren (Quantum Well Infrared Photon), MCT-Detektoren (Mercurium Cadmium Telluride), Si-CCD-Detektoren (Silizium-Charge Coupled Device) oder InGaAs-Detektoren (Indium-Gallium-Arsenid).According to one another embodiment of the present invention the location-dependent first and second measured values S1, S2 be determined with the help of a camera. The camera can be a flat Have detector with matrix-like pixels. Each detector pixel may be that of an associated sub-surface of the semiconductor structure detect emitted electromagnetic radiation and via a integrate appropriate time subinterval. The detector should be sufficiently sensitive to short integration intervals nevertheless to deliver a sufficiently strong measurement signal. Suitable detectors For example, GaAs detectors (gallium arsenide detectors), InSb detectors (indium antimonide detectors), QWIP detectors (Quantum Well Infrared Photon), MCT Detectors (Mercurium Cadmium Telluride), Si-CCD detectors (silicon charge coupled device) or InGaAs detectors (Indium gallium arsenide).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die ortsabhängigen ersten und zweiten Messwerte S1, S2 durch Bestimmen der lokalen Absorption oder Emission von infraroter Strahlung ermittelt. Die Intensität der emittierten bzw. absorbierten infraroten Strahlung hängt dabei direkt von der Konzentration der freien Überschussladungsträger und deren Temperatur ab. Indem beispielsweise ein Temperaturunterschied zwischen der zu messenden Halbleiterstruktur und dem vom Detektor wahrgenommenen Hintergrund hergestellt wird, kann somit ein von der lokalen Konzentration der Überschussladungsträger abhängiges Messsignal durch Detektion der Absorption bzw. Emission von infraroter Strahlung mit Hilfe einer entsprechenden Infrarotkamera ermittelt werden. Es kann beispielsweise eine erwärmte Halbleiterstruktur vor einem kalten Hintergrund oder umgekehrt eine kalte Halbleiterstruktur vor einem erwärmten Hintergrund für Messzwecke verwendet werden.According to one another embodiment of the present invention the location-dependent first and second measured values S1, S2 by determining the local absorption or emission of infrared radiation determined. The intensity of the emitted or absorbed Infrared radiation depends directly on the concentration the free excess charge carrier and its temperature from. For example, by taking a temperature difference between the to be measured semiconductor structure and that detected by the detector Background produced, can thus be one of the local concentration the excess charge carrier dependent Measuring signal by detection of the absorption or emission of infrared Radiation detected using a corresponding infrared camera become. For example, it may be a heated semiconductor structure against a cold background or vice versa a cold semiconductor structure in front of a heated background for measurement purposes be used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden für jede Teiloberfläche mehrere erste Messwerte S1 und mehrere zweite Messwerte S2 mittels eines Lock-in-Verfahrens innerhalb zyklisch aufeinanderfolgender Anregungszeitintervalle bestimmt. Die ersten und zweiten Messwerte S1, S2 können dann mit einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion korreliert werden, um beispielsweise aus den Quotienten der mit diesen beiden Funktionen korrelierten Messwerte ein Maß für die Ladungsträgerlebensdauer ableiten zu können. Auf diese Weise können in einer messtechnisch einfach zu realisierenden Weise zuverlässige Aussagen über die lokale Ladungsträgerlebensdauer ermittelt werden, indem zum Beispiel eine Anregungsquelle zur Erzeugung von Überschussladungsträgern zyklisch an- und ausgeschaltet wird und die ersten und zweiten Messwerte S1, S2 durch ein Lock-in-Verfahren in zeitlicher Abhängigkeit von dem zyklischen An- und Ausschalten gemessen werden und anschließend in einfacher Weise zueinander in Relation gesetzt werden.According to one another embodiment of the present invention for each partial surface several first measured values S1 and a plurality of second measured values S2 by means of a lock-in method within cyclically consecutive excitation time intervals certainly. The first and second measured values S1, S2 can then correlated with a sine function and a cosine function for example, from the quotient of using these two Functions correlated readings a measure of derive the carrier lifetime. In this way, in a metrological easy to realizing reliable statements about the local charge carrier lifetime can be determined by For example, an excitation source for generating excess charge carriers cyclically switched on and off and the first and second measured values S1, S2 by a time-dependent lock-in process be measured by the cyclical switching on and off and then be easily related to each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Insbesondere kann die Vorrichtung eine Überschussladungsträgererzeugungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur innerhalb eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls zu erzeugen. Ferner kann sie eine Messwertbestimmungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, gleichzeitig für jede einer Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur jeweils ortsabhängige erste Messwerte S1 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines ersten Zeitunterintervalls und ortsabhängige zweite Messwerte S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervalls, wobei das erste Zeitunterintervall vor dem zweiten Zeitunterintervall endet, zu bestimmen. Die Vorrichtung kann ferner eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, einen Wert der lokalen Ladungsträgerlebensdauer für jede der Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur durch In-Relation-setzen jeweils des ersten Messwertes S1 mit dem zweiten Messwert S2 für die jeweilige Teiloberfläche der Halbleiterstruktur zu ermitteln.According to a further aspect of the present invention, an apparatus for the spatially resolved determination of a local carrier lifetime in a semiconductor structure is proposed, wherein the device is designed to carry out the method described above. In particular, the device can have an excess charge carrier generation device which is designed to generate excess charge carriers in the semiconductor structure within a predefinable excitation time interval. Further For example, it can have a measured value determination device which is designed in each case for each of a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure to have spatially dependent first measured values S1 by integrating measurement signals dependent on a concentration of the excess charge carriers within a first time subinterval and location-dependent second measured values S2 by integrating one of the concentrations the excess charge carrier dependent measurement signals within a second time subinterval, wherein the first time subinterval ends before the second time subinterval, to determine. The apparatus may further comprise an evaluation device which is designed to determine a value of the local charge carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure by putting in each case the first measured value S1 with the second measured value S2 for the respective sub-surface of the semiconductor structure ,
Es wird angemerkt, dass Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur beschrieben wurden. Ein Fachmann wird jedoch aus der vorangehenden und auch aus der nachfolgenden Beschreibung erkennen, dass, sofern dies nicht anders angegeben ist, die Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung auch analog auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur übertragen werden können. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen auch in beliebiger Weise untereinander kombiniert werden.It It is noted that embodiments, features and advantages the invention mainly with respect to the inventive Method for the spatially resolved determination of a local Charge carrier lifetime in a semiconductor structure described were. However, a person skilled in the art will be aware of the foregoing and also recognize from the description below that, if not otherwise stated, the embodiments and features the invention also analogously to the invention Device for the spatially resolved determination of a local Carrier lifetime transmitted in a semiconductor structure can be. In particular, the features can the various embodiments in any way be combined with each other.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich.Further Features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, but not construed as limiting the invention and with reference to the accompanying drawings.
Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.All Figures are merely schematic and not to scale.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION PREFERRED EMBODIMENTS
Es werden zunächst Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur beschrieben.It First, embodiments of inventive Method for measuring the effective charge carrier lifetime described in a semiconductor structure.
Grundlage ist ein Kamerasystem mit kurzen Belichtungszeiten von weniger als ca. 5 ms zur Detektion eines Signals, welches durch die Überschussladungsträgerkonzentration im zu untersuchenden Halbleitermaterial bestimmt wird. Für das erfindungsgemäße Messverfahren wird eine bezüglich des zeitlichen Verlaufs möglichst rechteckförmige Anregung von Ladungsträgern im zu untersuchenden Halbleitermaterial mit möglichst steilen Flanken eingesetzt. Diese Anregung kann zum Beispiel durch eine modulierbare Lichtquelle geeigneter Wellenlänge erfolgen. Die Lichtquelle kann zum Beispiel ein Laser oder ein Leuchtdiodenarray sein.basis is a camera system with short shutter speeds of less than about 5 ms to detect a signal which is due to the excess charge carrier concentration is determined in the semiconductor material to be examined. For the measuring method according to the invention is a respect the temporal course as rectangular as possible Excitation of charge carriers in the semiconductor material to be examined used with as steep flanks as possible. This suggestion may be more suitable for example by a modulatable light source Wavelength. The light source can be for example be a laser or a light-emitting diode array.
Die
Anregung der Ladungsträger im zu untersuchenden Halbleitermaterial
erfolgt mit einer Generationsrate G. Unter der Annahme einer zeitlich
konstanten Lebensdauer τ steigt mit zunehmender Überschussladungsträgerkonzentration Δn
auch die Rekombinationsrate proportional zu Δn an: 
Damit
folgt für die Ladungsträgerkonzentration während
eines An/Aus-Zeitintervalls der Periodendauer T die folgende Abhängigkeit:
während
des Anregungszeitintervalls, das heißt während
des An-Zeitintervalls: 
during the excitation time interval, that is during the on-time interval:
Außerhalb
des Anregungsintervalls, das heißt während des
Aus-Zeitintervalls: 
Die Näherung T/2 >> τ entspricht hierbei der Bedingung, dass das System während jeder Periode bzw. während jedes Anregungszeitintervalls und zwischen zwei Anregungszeitintervallen jeweils einen quasi-stationären Zustand (steady-state-Zustand) erreicht. Die das detektierte Messsignal bestimmende Ladungsträgerkonzentration ist damit gegenüber der Anregung zeitlich verschoben.The Approximation T / 2 >> τ corresponds here the condition that the system during each period or during each excitation time interval and between two excitation time intervals each one quasi-stationary State (steady state state) reached. The the detected measurement signal determining carrier concentration is thus opposite delayed the suggestion.
Misst man nun mit ausreichend kurzer Integrationszeit, typischerweise kleiner 5 ms, eine zur Ladungsträgerkonzentration proportionale Größe wie zum Beispiel die Lumineszenzstrahlung oder die Infrarot-Emission bzw. Infrarot-Absorption der freien Ladungsträger direkt nach Einschalten der Anregung, so ist die gemessene Signalstärke abhängig von der Lebensdauer der Ladungsträger in der Halbleiterstruktur.Measures now with a sufficiently short integration time, typically less than 5 ms, one proportional to the charge carrier concentration Size such as the luminescence radiation or the infrared emission or infrared absorption of the free charge carriers directly after switching on the excitation, so is the measured signal strength depending on the lifetime of the charge carriers in the semiconductor structure.
Teilt man einen diesem Signal entsprechenden ersten Messwert S1 nun durch einen Messwert S2, der aufgrund eines Signals bestimmt wird, welches eine gewisse Zeit später in dem gleichen Anregungszeitintervall gemessen wird, so ist die Information über die Ladungsträgerlebensdauer im Verhältnis, das heißt im Quotienten, der beiden Messwerte enthalten. Dabei sind optische Effekte ebenso wie auch Inhomogenitäten des Messaufbaus in beiden Messwerten in identischer Form enthalten und werden durch die Verwendung des Quotienten eliminiert.Splits one then passes through a first measured value S1 corresponding to this signal a measured value S2, which is determined based on a signal which a certain time later in the same excitation time interval is measured, so is the information about the carrier lifetime in proportion, that is, in the quotient, of the two Measured values included. There are optical effects as well as Inhomogeneities of the measurement setup in both measured values in identical form are included and are determined by the use of the quotient eliminated.
Da die Signale, die in einer kurzen Integrationszeit von wenigen Millisekunden gemessen werden können, typischerweise sehr klein sind, beinhaltet das erfindungsgemäße Messverfahren in einer bevorzugten Ausführungsform die Mittelung mehrerer Messwerte S1, S2 oder auch die Verwendung eines Lock-in-Algorithmus zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.There the signals coming in a short integration time of a few milliseconds can be measured, typically very small, includes the measuring method according to the invention in a preferred embodiment, the averaging of several Measured values S1, S2 or the use of a lock-in algorithm to improve the signal-to-noise ratio.
Wichtig kann sein, dass die Bestimmung des ersten Messwertes kurz vor oder kurz nach Beginn des Anregungszeitintervalls geschieht, wobei das Ende des Zeitunterintervalls, während dessen der erste Messwert aufintegriert wird, nach dem Beginn des Anregungszeitintervalls liegen muss. Für den speziellen Fall, dass die Messwerte S1, S2 durch Bildaufnahme mit Hilfe einer Kamera aufgenommen werden und die Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur durch Beleuchten mit einer Lichtquelle erzeugt werden, bedeutet dies, dass die Bildnahme des ersten Bildes kurz vor oder nach Einschalten der Lichtquelle geschieht, wobei der Zeitpunkt des Einschaltens der Lichtquelle vor dem Ende der Bildintegrationszeit der Kamera liegen muss.Important may be that the determination of the first reading just before or shortly after the start of the excitation time interval, the End of the time subinterval, during which the first Measured value is integrated, after the start of the excitation time interval must lie. For the special case that the readings S1, S2 can be recorded by taking a picture with the help of a camera and the excess charge carriers in the semiconductor structure produced by illuminating with a light source, this means that the capture of the first image just before or after switching on the light source happens, the time of switching on the light source before the end of the image integration time of the camera must lie.
Es lässt sich nun ein einfacher Zusammenhang zwischen Ladungsträgerlebensdauer und dem Verhältnis der Messwerte S1 in dem Bild, welches direkt nach dem Einschalten der Lichtquelle aufgenommen wird, und den Messwerten S2 in dem Bild, welches eine gewisse Zeit später, nachdem sich quasi-stationäre Bedingungen eingestellt haben, aufgenommen wird, angeben. Damit lässt sich für jeden Bildpunkt ein Ladungsträgerlebensdauerwert berechnen, welcher unabhängig von der Optik der Probe wie auch von anderen, das absolute Messsignal beeinflussenden Faktoren bestimmt werden kann.It Now a simple connection between charge carrier lifetime can be determined and the ratio of the measured values S1 in the image, which is recorded directly after switching on the light source, and the measured values S2 in the image, which a certain time later, after quasi-stationary conditions have stopped, recorded. This can be for calculate each pixel a charge carrier lifetime value, which is independent of the optics of the sample as well as of other factors influencing the absolute measurement signal can be.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann ein Lock-in-Verfahren genutzt werden, um die sehr
kleinen Signale bei der Ermittlung der ersten und zweiten Messwerte
S1, S2 mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu messen
und die Einflüsse von Messaufbau und Probenoptik zu unterdrücken.
Das Lock-in-Messsystem ist hierbei für eine 4-Punkt-Korrelation
ausgelegt, um durch Mittelung über viele Perioden und durch
Korrelation mit periodischen Funktionen eine Rauschunterdrückung
zu erreichen. Zum Beispiel lassen sich durch Korrelation mit einer
Sinus- und einer Cosinus-Funktion zwei Signalanteile, nämlich
das Sinus-korrelierte Signal Ssin und das
Cosinus-korrelierte Signal Scos wie folgt
ermitteln: 
Hierbei
gilt: T = 2 π/ω; m kann eine Zahl größer
oder gleich 4 sein, welche eine 4-Punkt-Korrelation erlaubt, beispielsweise
4, 8, 10, 12, 16.... Die Konstante c enthält hierbei die
Einflüsse des Messsystems und der Probenoptik und ist somit
ortsabhängig. Damit sind auch die beiden Anteile des Signals,
wie auch die Signal-Amplitude
Die oben beschriebenen Störeinflüsse wie Probenoptik, etc. werden bei der Division der beiden Anteile des Signals eliminiert, da sie in beiden identisch enthalten sind. Aus den oben angegebenen Gleichungen lässt sich nun für jede Lebensdauer eine dazugehörige Phase berechnen. Dies erlaubt die selbst-konsistente Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern auf optisch inhomogenen Proben.The above-described interferences such as sample optics, etc. are eliminated in the division of the two parts of the signal, since they are identical in both. From the above Equations can now be used for any lifetime calculate an associated phase. This allows the self-consistent Determination of carrier lifetime on optically inhomogeneous Rehearse.
Ein wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform ist die Bildnahme direkt oder sehr kurz nach Einschalten und direkt oder sehr kurz nach Ausschalten einer Anregung zur Erzeugung von Überschussladungsträgern. Hierdurch wird eine besonders hohe Sensitivität der ermittelten Phase gegenüber der Lebensdauer erreicht. Abhängig von der zu bestimmenden Ladungsträgerlebensdauer und der Integrationszeit der verwendeten Kamera kann die Bildnahme direkt nach Einschalten bzw. Ausschalten oder auch eine Bildnahme zu einem wenig späteren Zeitpunkt zu optimalen Messergebnissen führen. Es ist dabei bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Verwendung eines Messsystems mit der Möglichkeit einer zeitlichen Verschiebung zwischen Bildnahme und Anregung vorgesehen. Diese zeitliche Verschiebung kann zwischen –10 ms und +10 ms betragen.One integral part of the invention Method according to one embodiment the picture is taken directly or very shortly after switching on and directly or very soon after turning off an excitation to generate excess charge carriers. This results in a particularly high sensitivity of the determined Phase compared to the lifetime reached. Dependent from the carrier lifetime to be determined and the Integration time of the used camera can take the picture directly after switching on or off or taking a picture to a lead later to optimal measurement results. It is in the embodiment of the invention Method or the device according to the invention the use of a measuring system with the possibility of a temporal shift between image acquisition and stimulation provided. This time shift can be between -10 ms and +10 ms amount.
Ferner ist bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verwendung einer zusätzlichen Beleuchtung als Hintergrundlicht (Bias-Licht) zur Einstellung eines Injektionsniveaus in der zu untersuchenden Halbleiterstruktur vorgesehen, falls dies der Messung zweckdienlich erscheint.Further is in one embodiment of the invention Procedure the use of additional lighting as background light (bias light) for setting an injection level provided in the semiconductor structure to be examined, if this the measurement seems expedient.
Durch die der Ausführungsform gemäße Messung der zeitlichen Verschiebung zwischen Anregung und ermitteltem Messsignal für die ersten und zweiten Messwerte S1, S2 werden optische Effekte aus kamerabasierten Messungen eliminiert. Ferner wird für das vorgeschlagene Verfahren keine räumlich perfekt homogene Anregung benötigt, sowie im Falle der ILM, keine homogene Temperierung der Halbleiterstruktur und des Hintergrundes. Für die phasensensitive ILM wird lediglich ein ausreichend großer Temperaturunterschied zwischen Probe und Hintergrund benötigt, um ein ausreichend starkes ILM-Signal zu generieren.By the measurement according to the embodiment the time shift between excitation and the determined measurement signal for the first and second measured values S1, S2 are optical Effects eliminated from camera-based measurements. Further, for the proposed method is not spatially perfectly homogeneous Stimulation needed, and in the case of ILM, no homogeneous Temperature control of the semiconductor structure and the background. For the phase-sensitive ILM only becomes sufficiently large Temperature difference between sample and background needed, to generate a sufficiently strong ILM signal.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gegenüber herkömmlichen Verfahren zur ortsaufgelösten Messung der effektiven Ladungsträgerlebensdauern besteht darin, dass keinerlei Kalibrierung des Messsignals zur Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer benötigt wird.One significant advantage of the method according to a according to the invention embodiment conventional methods for spatially resolved measurement the effective charge carrier lifetimes is that no calibration of the measurement signal for determining the carrier lifetime is needed.
Eine
noch nicht fertig zu einer Solarzelle prozessierte Siliziumscheibe
Überschussladungsträger
können in der Siliziumscheibe
Die
Bilder können zum Beispiel direkt nach Beginn der Beleuchtung
durch das Leuchtdiodenarray
Wie
aus der
Um
die Gesamtmessgenauigkeit zu erhöhen, können weitere
Messwerte zu späteren Zeitunterintervallen
Für diese Konfiguration kann analytisch eine Beziehung zwischen der Ladungsträgerlebensdauer und der ermittelten Zeitverschiebung zwischen der Anregung und den zeitabhängig aufgenommenen Messwerten S1, S2 bzw. der ermittelten Phase des Lock-in-Signals errechnet werden, wie dies teilweise in den weiter oben beschriebenen Gleichungen ausgedrückt wurde. Daraus kann eine Tabelle mit Lebensdauer-Phase-Paaren erstellt werden. Für jeden aufgenommenen Bildpunkt kann nun eine Zuordnung der gemessenen Phase zu einem Lebensdauerwert durchgeführt werden.For this configuration can analytically determine a relationship between the Carrier lifetime and the determined time shift between the stimulation and the time-dependent recorded Measured values S1, S2 or the determined phase of the lock-in signal be calculated, as partially described in the above Equations was expressed. This can be a table be created with lifetime-phase pairs. For each recorded pixel can now be an assignment of the measured phase to a lifetime value.
Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „umfassen”, „aufweisen”, etc. das Vorhandensein weiterer Elemente nicht ausschließen. Der Begriff „ein” schließt auch das Vorhandensein einer Mehrzahl von Gegenständen nicht aus. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen lediglich der besseren Lesbarkeit und sollen den Schutzbereich der Ansprüche in keiner Weise beschränken.Finally It should be noted that the terms "comprise", "comprise", etc. do not exclude the presence of further elements. The term "a" also includes the presence a plurality of objects are not enough. The reference numerals in the claims are only for better readability and are not intended to limit the scope of the claims in any way restrict.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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