DE102008013068B4

DE102008013068B4 - Method and device for the spatially resolved determination of carrier lifetime in semiconductor structures

Info

Publication number: DE102008013068B4
Application number: DE200810013068
Authority: DE
Inventors: Klaus Ramspeck
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: DE102008013068A1

Abstract

Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur (1), wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von Überschussladungsträgern in der Halbleiterstruktur (1) innerhalb eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls (31); 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 Zeitunterintervals (25), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat, und von ortsabhängigen zweiten Messwerten S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervals (27), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger einen quasi-stationären Zustand erreicht hat, wobei das erste Zeitunterintervall (25) vor dem zweiten Zeitunterintervall (27) 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.Method for spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure (1), the method comprising: generating excess charge carriers in the semiconductor structure (1) within a predeterminable excitation time interval (31); Determination, simultaneously for each of a plurality of partial surfaces of the semiconductor structure, of location-dependent first measured values S1 by integrating measurement signals that are dependent on a concentration of the excess charge carriers within a first time sub-interval (25) in which the concentration of the excess charge carriers has not yet reached a quasi-stationary state , and of location-dependent second measured values S2 by integrating measurement signals that are dependent on a concentration of the excess charge carriers within a second time sub-interval (27) in which the concentration of the excess charge carriers has reached a quasi-stationary state, the first time sub-interval (25) before the second time sub-interval (27) ends; Determining a value of the local charge carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure by relating the respective first measured value S1 to the respective second measured value S2.

Description

BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung von Ladungsträgerlebensdauern in Halbleiterstrukturen.The present invention relates to a method and a device 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 of the decisive parameters for determining the quality of semiconductor materials is the charge carrier lifetime, ie the average time that lingers an electron-hole pair generated by an excitation 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 involving 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.Particularly in photovoltaics, where solar cells are produced as large-area components made of inexpensive semiconductor materials as possible, one often has to deal with considerable spatial inhomogeneities of the charge carrier lifetime over the surface. Therefore, imaging methods which make it possible to determine the distribution of the material quality, as expressed inter alia in the local charge carrier lifetime, spatially resolved, are of great importance here.

Man unterscheidet prinzipiell zwischen statischen Verfahren, welche die Lebensdauer unter statischen Bedingungen, d. h. quasi-stätionären 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.In principle, a distinction is made between static processes which reduce the service life under static conditions, ie. H. determine quasi-steady state conditions, from the amplitude of a lifetime-related signal, and dynamic processes that determine the lifetime from the dynamic history of a lifetime associated signal as the conditions change (eg, injection level).

Die bisher existierenden kamerabasierten Methoden zur Messung der Ladungsträgerlebensdauer, nämlich ILM (Illuminated Lifetime Mapping), siehe z. B. Patentschrift DE 199 15 051 C2 , und PLI (Photoluminescence Imaging), beschrieben z. B. in „Photoluminescence imaging of silicon wafers”, Appl. Phys. Lett. 89, 044107 (2006) oder in „Quantitative Lifetime Measurements with photoluminescence imaging”. Proc. of the 22nd EPVSEC, Mailand, Italy (2007), p. 354, benutzen Messungen der Ladungsträgerkonzentration unter statischen Bedingungen.The existing camera-based methods for measuring the carrier lifetime, namely ILM (Illuminated Lifetime Mapping), see, for example, US Pat. B. Patent DE 199 15 051 C2 , and PLI (Photoluminescence Imaging) described, for. In "Photoluminescence imaging of silicon wafers", Appl. Phys. Lett. 89, 044107 (2006) or in "Quantitative Lifetime Measurements with Photoluminescence Imaging". Proc. of the 22nd EPVSEC, Milan, Italy (2007), p. 354, use measurements of the charge carrier concentration under static conditions.

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 Anregungswellen1änge 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: τ(x, y) = Δn(x, y) / G (1) The ILM is based on the emission / absorption of electromagnetic radiation by free charge carriers in the material. By pulsed excitation of additional charge carriers by means of a modulatable light source, the infrared emission / absorption of the free charge carriers in the material is increased, which can be detected spatially resolved with the aid of a suitable infrared camera. The determination of the density of the additionally excited by the light free charge carriers in the material in the region of a specific partial surface of a semiconductor substrate, ie the determination of the local excess charge carrier density .DELTA.n (x, y), is done using a calibration of the camera signal with wafers of known majority carrier density. An important prerequisite is that the calibration wafers and the samples to be measured have identical optical properties. Furthermore, a homogeneous and known illumination intensity and a homogeneous temperature of both the sample to be measured and the background must be ensured and the front reflection of the sample to be measured at the excitation wavelength must be known. The temperatures must also be the same when calibrating as during the measurement. If these prerequisites are met, the measurement of the additional emission / absorption of the excess charge carriers excited in the samples to be examined, which is usually carried out using a lock-in method, can be directly deduced to Δn (x, y). Together with the known generation rate G, the carrier lifetime results in: τ (x, y) = Δn (x, y) / G (1)

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 determine the charge carrier lifetime on optically inhomogeneous samples, a method has been proposed which converts the measured ILM signal with the aid of an emission image to an optic corresponding to the calibration wafers. This method assumes a linear relationship between the absolute emission of a wafer and the additional emission by the additionally excited charge carriers. This linear relationship is not exactly fulfilled when taking into account reabsorption processes in the material and therefore represents only an 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: S_PL = C_Opt·B·n·A (2) In PLI photoluminescence measurements, the intensity of radiative recombination is measured using a Si-CCD camera or an InGaAs camera. This intensity depends on the carrier concentration in the material according to: S _PL = C _Opt * B * n * A (2)

Hierbei bezeichnet S_PL 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 (C_Opt). 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.In dynamic methods, the lifetime can be determined directly from the time course of a signal, which is proportional to the concentration of the charge carriers in the semiconductor structure to be examined. Therefore, in dynamic methods, the particular lifetime does not depend on pre-factors that can affect the amplitude of the signal, such as, for example. Example, the detection probability of a detector or the emissivity of the sample. Such dynamic methods are therefore in principle more robust and can be used more easily for different sample structures.

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 DE 691 08 563 T2 beschrieben ist. Hierbei werden Ladungsträger im zu untersuchenden Halbleitermaterial lokal durch Laserpulse angeregt. Der Abfall der Ladungsträgerkonzentration nach Ausschalten des Lichtes wird durch Messung der Mikrowellenreflexion bestimmt. Die beim Fitten einer exponentiellen Funktion an den asymptotischen Abfall der Mikrowellenreflexion ermittelte Zeitkonstante ergibt in diesem Fall direkt die Ladungsträgerlebensdauer.The most widely used dynamic scanning method is the MWPCD (microwave detected photo-conductance decay). B. in the German patent DE 691 08 563 T2 is described. Here, charge carriers in the semiconductor material to be examined are locally excited by laser pulses. The decrease in the charge carrier concentration after switching off the light is determined by measuring the microwave reflection. The time constant determined when fitting an exponential function to the asymptotic refraction of the microwave reflection in this case directly gives the charge carrier lifetime.

In der US 5,153,503 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zeitabhängigen Messung von Ladungsträgerlebensdauern eines 4.-Gruppe-Halbleiters beschrieben.In the US 5,153,503 For example, a method and apparatus for time-dependent measurement of carrier lifetime of a 4th group semiconductor is described.

In der DE 100 56 770 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Eigenschaften einer Probe in mehreren Punkten der Probe beschrieben.In the DE 100 56 770 A1 For example, a method and apparatus for measuring properties of a sample in multiple points of the sample is described.

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 carrier lifetime measurement require elaborate calibrations and have the fundamental problem that the lifetime values determined depend on the optical properties of the sample. The only proposed dynamic measuring method with triangular excitation still requires knowledge of the doping concentration as well as the generation rate - and thus the frontal reflection of the samples to be measured. By contrast, dynamic methods are performed by scanning and therefore require considerable measurement periods.

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 carrier lifetime independently of the knowledge of the front reflection, generation rate, sample optics or doping concentration and which thus allows a determination of the lifetimes on any samples without additional measurements or calibrations. 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 need can be met by the subject-matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.

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, in dem die Konzentration der Überschussladungsträger noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat, und von ortsabhängigen zweiten Messwerten S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervalls, in dem die Konzentration der Überschussladungsträger einen quasi-stationären Zustand erreicht hat, 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 a first aspect of the present invention, a method is proposed for the spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure, the method comprising the following steps: generating excess charge carriers in the semiconductor structure within a predefinable excitation time interval; Determining, simultaneously for each of a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure, respectively of location-dependent first measurement values S1 by integrating measurement signals dependent on a concentration of the excess charge carriers within a first time subinterval in which the concentration of the excess charge carriers has not reached a quasi-stationary state; location-dependent second measurement values S2 by integrating measurement signals dependent on a concentration of the excess charge carriers within a second time subinterval in which the concentration of the excess charge carriers has reached a quasi-stationary state, wherein the first time subinterval ends before the second time subinterval; Determining a value of the local carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure by relating 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.In order to be able to determine the charge carrier lifetime with spatial resolution, in each case a first measured value S1 and a second measured value S2 are determined for each of a plurality of partial surfaces of the semiconductor structure by integrating a measuring signal dependent on a concentration of the local excess charge carrier. Such measurement signals dependent on the excess charge carrier concentration can be, for example, the infrared emission or infrared absorption of the semiconductor structure, the emission / absorption being higher the higher the local excess charge carrier concentration. Alternatively, the local photoluminescence can be measured as a measurement signal due to radiative recombination of excess charge carrier pairs.

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.It is essential for the method according to the invention that the first time subinterval, within which the first measured values S1 are measured, ends before the second time subinterval. In principle, the first and the second time subintervals may start at the same time but end at different times. However, it is preferred that the first time sub-interval ends before the second time sub-interval begins. Both time sub-intervals may preferably end within the excitation time interval or, alternatively, end after the excitation time interval. It may be preferred that the first time subinterval lies in the region of the beginning of the excitation time interval, that is to say within a time period in which the excess charge carrier concentration still increases and has not yet reached a quasi-stationary state. The first time subinterval may begin shortly before, exactly at 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 such that even 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 may then be chosen to be, at least in large part, within a time period in which the excess charge carrier concentration has reached a quasi-steady 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-Relationsetzen” 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-relational 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. Thus, the "putting in-relation" is different from a pure mean value formation, in which even the knowledge of a single measured value can be used to determine - albeit less accurately - a parameter value. 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 any desired more measured values S1, S2, S3,... Are determined within different time subintervals and then put into relation can. 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.By determining two measured values S1, S2 depending on the local, instantaneous charge carrier concentration, in each case according to the invention, for each partial area of a semiconductor structure, the first measured value S1 preferably being determined during a non-quasi-stationary state of the excess charge carrier excitation and the second measured value S2 being determined during one quasi-stationary state of the excess charge carrier excitation is determined, and the two measured values S1, S2 are related to each other, external effects such as the optical reflection properties of the surface of the semiconductor structure or the spatial homogeneity of the excitation used to generate the excess charge carriers can be eliminated. The measurement of the local charge carrier lifetime is largely independent of such external influences and can therefore be carried out without previous or parallel calibration. Furthermore, since the measurement can take place simultaneously for a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure, it is possible to perform a very fast spatially resolved determination of the local carrier lifetime for an entire substrate surface.

Nachfolgend werden weitere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem obigen ersten Aspekt beschrieben.Hereinafter, further features, advantages and embodiments of the method according to the invention will be described according to the above first aspect.

Die Halbleiterstruktur, deren lokale Ladungsträgerlebensdauer ortsaufgelöst bestimmt werden soll, kann beispielsweise ein Wafer aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial sein. 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 whose local charge carrier lifetime is to be determined in a spatially resolved manner can be, for example, a wafer made of silicon or another semiconductor material. The semiconductor structure may also be a semiconductor thin film or an already partially processed semiconductor device such as a partially processed solar cell. The semiconductor structure can have a homogeneous surface, as can be found, for example, in monocrystalline semiconductor structures. However, the method is also particularly suitable for semiconductor structures with inhomogeneous surfaces such as multicrystalline semiconductor structures or semiconductor structures with a surface texturing. Particularly in the case of semiconductor structures with inhomogeneous surfaces, the advantage of the method comes into play, that the local charge carrier lifetime can be determined independently of the local reflection properties of the semiconductor structure.

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, excess charge carriers can be generated in different ways during a predefinable excitation time interval. For example, the semiconductor structure can be illuminated over a surface area by a light source during the excitation time interval, so that electron-hole pairs within the semiconductor structure are produced by the absorption of the incident light. The concentration of the excess charge carriers thus generated depends on the intensity of the light absorbed and absorbed in the semiconductor structure. In this case, the intensity of the incident light can rise rapidly from zero to a predetermined maximum. The fastest possible increase, that is, the steepest possible slope of the excitation intensity, is advantageous for the process. Alternatively, the excitation intensity can also be raised from a previously set basic level, for example a permanently prevailing backlight (bias light) during the excitation time interval to a correspondingly higher stimulation level and then drop back to the base level. As a result, for example, the charge carrier lifetime can also be determined as a function of different original excess charge carrier concentrations.

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 fuhrt, 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 planar detector may be used, each one of the camera-like pixels of the camera respectively measuring one of the plurality of partial surfaces with respect to electromagnetic radiation emitted there, for example 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 first and second measured values S1, S2 measured in this way can then be used separately for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure for determining a value of the local charge carrier lifetime.

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 method according to the invention, the local Charge carrier lifetime determined from the quotient S1 / S2 of a respective first measured value S1 and a respective second measured value S2. In this particular form of "in-relation setting", the quotient formation leads to pre-factors, as in the determination of the individual measured values S1 and S2, for example by external factors such as locally prevailing reflection, inhomogeneities with respect to 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, the carrier lifetime can be determined from the quotient S1 / S2.

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 another embodiment of the present invention, the first and second time subintervals both end within the excitation time interval. Alternatively, the first and second time subintervals both end after the excitation time interval. Using the example of an excess charge carrier generation by illumination of the semiconductor structure with light and detection of a local excess charge carrier concentration dependent emission / absorption of infrared light or a local luminescence by charge carrier recombination using a camera, this means that the camera takes two images, the two periods, within which the camera integrates the incident light signal, both ends during the illumination time interval (first alternative) or after switching off the light source, ie after the illumination time interval end (second alternative). Due to the fact that the first time subinterval ends before the second time subinterval, the first and second measurement signals S1, S2 can be determined at different time periods within the excitation time interval, for example at the beginning of the excitation time interval, if no quasi-stationary state has yet settled with respect to the excess charge carrier concentration, and towards the end of the excitation time interval when the excess charge carrier concentration has assumed a quasi-steady state value. The same applies to a recording of the measured values S1, S2 after switching off the excitation, when the excess charge carrier concentration generated during the excitation time interval decreases gradually from a quasi-stationary value to zero or a base value by recombination of the excess charge carriers.

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 a further embodiment of the present invention, the first time interval ends 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 determined as soon as possible after switching on or off the excitation source, for example the light source for generating the excess charge carriers. Within such a time subinterval, the excess charge carrier concentration continuously increases due to the generation of additional charge carriers associated with the excitation or continuously decreases when the excitation source is switched from an original quasi-stationary output value, but has not yet assumed a quasi-stationary target value. The first time subinterval may start simultaneously with the excitation time interval or shortly before or after it, 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 schwächer 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 a further embodiment, the first and second measured values S1, S2 are respectively determined by integrating measurement signals dependent on a concentration of the excess charge carriers over an integration period of less than 10 ms, preferably less than 5 ms and more preferably less than 1 ms. The integration duration may be selected such that the excess charge carrier concentration has not reached a quasi-stationary state during the first time subinterval. Since this quasi-stationary state is reached the faster, the shorter the charge carrier lifetime, the shortest possible integration time is sought, in order to be able to measure semiconductor structures with very short carrier lifetimes, for example in the range of a few microseconds. However, it must be taken into account that with decreasing integration time, the measurement signal is weaker and thus a signal-to-noise ratio is worse. Therefore, integration times of less than 100 μs should be avoided as a rule. In particular, it may be advantageous to adapt the integration duration to the expected service life of a 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-Lieht) 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. In other words, 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, that is, for example, off-centered excitation or excitation with a baseline level (eg bias light) to a maximum level, the better Ignore influences due to the timing of the excitation intensity in the subsequent determination of the local charge carrier lifetime.

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 a further embodiment of the present invention, the excess charge carriers are generated by means of a light source illuminating the sub-surfaces of the semiconductor structure. It can be used any light source, such as incandescent or discharge lamps, with light sources that can quickly reach a maximum light emission and allow a homogeneous illumination, such as LED arrays or lasers may be preferred. The emitted light intensity can be selected as high as possible in order to obtain strong measurement signals for determining the first and second measured values S1, S2. However, it may also be advantageous to select the emitted light intensity in accordance with a light intensity used in the later use of the semiconductor structure. For example, when the semiconductor structure is a solar cell, a light intensity corresponding to normal solar radiation may be desirable to determine the carrier lifetime at such a 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-Antimond-Detektoren), QWIP-Detektoren (Quantum Well Infrared Photon), MCT-Detektoren (Mercurium Cadmium Telluride), S1-CCD-Detektoren (Silizium-Charge Coupled Device) oder InGaAs-Detektoren (Indium-Gallium-Arsenid).According to a further embodiment of the present invention, the location-dependent first and second measured values S1, S2 can be determined with the aid of a camera. The camera can have a planar detector with pixels arranged like a matrix. Each detector pixel can detect the electromagnetic radiation emitted by an associated sub-surface of the semiconductor structure and integrate it over a corresponding time subinterval. The detector should be sufficiently sensitive to still provide a sufficiently strong measurement signal at short integration intervals. Suitable detectors are, for example, GaAs detectors (gallium arsenide detectors), InSb detectors (indium antimony detectors), QWIP detectors (Quantum Well Infrared Photon), MCT detectors (Mercurium Cadmium Telluride), S1-CCD detectors. 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 another embodiment of the present invention, the location-dependent first and second measured values S1, S2 are determined by determining the local absorption or emission of infrared radiation. The intensity of the emitted or absorbed infrared radiation depends directly on the concentration of the free excess charge carriers and their temperature. By, for example, producing a temperature difference between the semiconductor structure to be measured and the background detected by the detector, a measurement signal dependent on the local concentration of the excess charge carrier can thus be determined by detecting the absorption or emission of infrared radiation with the aid of a corresponding infrared camera. For example, a heated semiconductor structure in front of a cold background, or conversely, a cold semiconductor structure in front of a heated background may be used for measurement purposes.

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 a further embodiment of the present invention, a plurality of first measured values S1 and a plurality of second measured values S2 are determined for each partial surface by means of a lock-in method within cyclically successive excitation time intervals. The first and second measured values S1, S2 can then be correlated with a sine function and a cosine function in order to be able to derive a measure of the carrier lifetime from the quotients of the measured values correlated with these two functions, for example. In this way, reliable statements about the local charge carrier lifetime can be determined in a metrologically simple manner by, for example, cyclically switching on and off an excitation source for generating excess charge carriers and locking the first and second measured values S1, S2 by a lock-in. Procedures are measured in time dependence on the cyclic switching on and off and then put in relation to each other in a simple manner.

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, in dem die Konzentration der Überschussladungsträger noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat, und ortsabhängige zweite Messwerte S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervalls, in dem die Konzentration der Überschussladungsträger einen quasi-stationären Zustand erreicht hat, 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. Furthermore, it can have a measured value determination device that is designed to simultaneously for each of a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure each location-dependent first measured values S1 by integrating of a concentration of the excess charge carrier-dependent measurement signals within a first time subinterval, in which the concentration of the excess charge carriers is not quasi -stationary state, and location-dependent second measurement values S2 by integrating measurement signals dependent on a concentration of the excess charge carriers within a second time subinterval in which the concentration of the excess charge carrier has reached a quasi-stationary state, the first time subinterval ending before the second time subinterval, to determine. The device may further include a Have evaluation, 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 In-relation set each of 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 is noted that embodiments, features and advantages of the invention have been described mainly with respect to the method according to the invention for the spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure. However, one skilled in the art will recognize from the foregoing and also from the following description that, unless stated otherwise, the embodiments and features of the invention can also be analogously applied to the device according to the invention for the spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure. In particular, the features of the various embodiments can also be combined with one another in any desired manner.

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.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of exemplary embodiments, which should not be construed as limiting the invention, and with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einem Halbleitersubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows a device for the spatially resolved determination of a local carrier lifetime in a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf einer Anregung zur Erzeugung von Überschussladungsträgern in einer Halbleiterstruktur während eines vorgebbaren Anregungsintervalls und die entsprechenden Zeitunterintervalle, während denen die Messwerte S1, S2 ermittelt werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows by way of example the time profile of an excitation for generating excess charge carriers in a semiconductor structure during a predeterminable excitation interval and the corresponding time subintervals during which the measured values S1, S2 are determined according to an embodiment of the present invention.

Alle Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.All figures are only schematic and not to scale.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Es werden zunächst Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur beschrieben.Embodiments of methods according to the invention for measuring the effective charge carrier lifetime in a semiconductor structure will first be described.

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.The basis is a camera system with short exposure times of less than about 5 ms for the detection of a signal which is determined by the excess charge carrier concentration in the semiconductor material to be examined. For the measuring method according to the invention, a preferably rectangular excitation of charge carriers in the semiconductor material to be examined is used with steep edges as far as possible over time. This excitation can be done for example by a modulated light source of suitable wavelength. The light source may be, for example, 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: R = Δn / τ und Δn(t) = G·t – ∫R(t)dt (3) The excitation of the charge carriers in the semiconductor material to be examined takes place with a generation rate G. Assuming a temporally constant lifetime τ increases with increasing excess carrier concentration Δn and the recombination rate proportional to Δn: R = Δn / τ and Δn (t) = G · t - ∫R (t) dt (3)

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: Δn(t) = Gτ(1 – exp(– t / τ)) tτ ≤ T/2 (4) Thus follows for the carrier concentration during an on / off time interval of the period T, the following dependence:
during the excitation time interval, that is during the on-time interval: Δn (t) = Gτ (1-exp (-t / τ)) tτ ≤ T / 2 (4)

Außerhalb des Anregungsintervalls, das heißt während des Aus-Zeitintervalls: Δn(t) = Gτ(1 – exp(– T/2 / τ))·exp(– t – T/2 / τ) ≈ Gτ·exp(– t – T/2 / τ) mit T/2 >> τ für t > T/2 (5) Outside the excitation interval, that is during the off-time interval: Δn (t) = Gτ (1 - exp (- T / 2 / τ)) · exp (- t - T / 2 / τ) ≈ Gτ · exp (- t - T / 2 / τ) with T / 2>> τ for t> T / 2 (5)

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 to the condition that the system in each case during each period or during each excitation time interval and between two excitation time intervals reached a quasi-steady state (steady state state). The charge carrier concentration determining the detected measurement signal is thus shifted in time relative to the excitation.

Misst man mm 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.If one measures mm with sufficiently short integration time, typically less than 5 ms, a quantity proportional to the charge carrier concentration, such as the luminescence radiation or the infrared emission or infrared absorption of the free charge carriers directly after switching on the excitation, then the measured signal strength depends on the Life 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.If one divides a first measured value S1 corresponding to this signal by a measured value S2, which is determined on the basis of a signal which is measured a certain time later in the same excitation time interval, then the information about the carrier lifetime is Ratio, that is in the quotient, containing the two measured values. In this case, optical effects as well as inhomogeneities of the measurement setup are contained in identical form in both measured values and are eliminated by the use of the quotient.

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.Since the signals which can be measured in a short integration time of a few milliseconds are typically very small, the measuring method according to the invention in a preferred embodiment involves the averaging of several measured values S1, S2 or else the use of a lock-in algorithm for improving the signal -Rausch 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.It may be important that the determination of the first measured value occurs shortly before or shortly after the start of the excitation time interval, whereby the end of the time subinterval during which the first measured value is integrated must lie after the beginning of the excitation time interval. For the special case that the measured values S1, S2 are recorded by image recording with the aid of a camera and the excess charge carriers in the semiconductor structure are produced by illumination with a light source, this means that the image acquisition of the first image occurs shortly before or after the light source is switched on , wherein the time of switching on the light source must be before the end of the image integration time of the camera.

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 lasst 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.A simple relationship between charge carrier lifetime and the ratio of the measured values S1 in the image which is recorded directly after the light source is switched on and the measured values S2 in the image, which takes place some time later, after quasi-stationary conditions have been established have to be recorded. This allows a charge carrier lifetime value to be calculated for each pixel, which can be determined independently of the optics of the sample as well as of other factors influencing the absolute measurement signal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Lockin-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 S_sin und das Cosinus-korrelierte Signal S_cos wie folgt ermitteln:

According to a further embodiment of the method according to the invention, a lock-in method can be used to measure the very small signals in the determination of the first and second measured values S1, S2 with a high signal-to-noise ratio and to suppress the influences of test setup and sample optics , The lock-in measurement system is designed for 4-point correlation to achieve noise suppression by averaging over many periods and by correlating with periodic functions. For example, by correlation with a sine and a cosine function, two signal components, namely the sine-correlated signal S _sin and the cosine-correlated signal S _cos can be determined as follows:

Hierbei gilt: T = 2π/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

von Optik und Messsystem abhängig und damit nicht eindeutig mit der Ladungsträgerlebensdauer verknüpft. Nicht von Einflüssen der Probenoptik und des Messsystems beeinflusst ist die sogenannte Phase des Signals. Die Phase einer solchen Lock-in-Messung kann definiert werden als:

Where: T = 2π / ω; m can be a number greater than or equal to 4, which allows a 4-point correlation, for example, 4, 8, 10, 12, 16 .... The constant c here contains the influences of the measuring system and the sample optics and is thus location-dependent. So are the two parts of the signal, as well as the signal amplitude

Of optics and measuring system dependent and thus not clearly associated with the carrier lifetime. The so-called phase of the signal is not influenced by influences of the sample optics and the measuring system. The phase of such a lock-in measurement can be defined as:

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 contain. From the equations given above, an associated phase can now be calculated for each lifetime. This allows the self-consistent determination of carrier lifetime on optically inhomogeneous samples.

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.An essential component of the method according to the invention according to one embodiment is the image acquisition directly or very shortly after switching on and directly or very shortly after switching off an excitation for generating excess charge carriers. As a result, a particularly high sensitivity of the determined phase over the life is achieved. Depending on the carrier lifetime to be determined and the integration time of the camera used, the image acquisition directly after switching on or off or even taking a picture at a later date may lead to optimal measurement results. It is provided in the embodiment of the method and the device according to the invention, the use of a measuring system with the possibility of a time shift between image acquisition and excitation. This time shift can be between -10 ms and +10 ms.

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. Furthermore, in one embodiment of the method according to the invention, the use of an additional illumination as background light (bias light) for setting an injection level in the semiconductor structure to be examined is provided if this appears expedient for the measurement.

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 measuring the time shift between the excitation and the determined measuring signal for the first and second measured values S1, S2 in accordance with the embodiment, optical effects are eliminated from camera-based measurements. Furthermore, no spatially perfect homogeneous excitation is required for the proposed method, and in the case of the ILM, no homogeneous temperature control of the semiconductor structure and the background. For the phase-sensitive ILM, only a sufficiently large temperature difference between sample and background is 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.An essential advantage of the method according to an embodiment of the invention over conventional methods for spatially resolved measurement of the effective charge carrier lifetimes is that no calibration of the measurement signal for determining the carrier lifetime is needed.

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 schematically shows a device for the spatially resolved determination of a local carrier lifetime according to an embodiment of the present invention.

Eine noch nicht fertig zu einer Solarzelle prozessierte Siliziumscheibe 1, die zum Beispiel eine oberflächenpassivierende Schicht aus Siliziumnitrid aufweist, kann zum Beispiel auf einem Gold- oder Silberspiegel 3 auf eine Temperatur von beispielsweise 70°C gebracht werden. Der durch den Spiegel eingeblendete Hintergrund 5 kann sich zum Beispiel auf einer Temperatur von 10°C befinden.A not yet finished solar cell processed silicon wafer 1 For example, having a surface passivating layer of silicon nitride may be on a gold or silver mirror, for example 3 be brought to a temperature of for example 70 ° C. The background shown by the mirror 5 may be at a temperature of 10 ° C, for example.

Überschussladungsträger können in der Siliziumscheibe 1 zum Beispiel durch Licht einer Wellenlänge von beispielsweise 450 nm angeregt werden. Dieses Licht kann von einem Leuchtdiodenarray 7 generiert werden, das beispielsweise mit einer Frequenz von 40 Hz moduliert wird. Das Signal der Infrarotemission bzw. –absorption aufgrund der generierten Überschussladungsträger kann zum Beispiel durch eine Infrarotkamera 9 im Wellenlängenbereich von 4–5 μm detektiert werden. Diese Kamera kann Bilder mit einer Bildwiederholungsrate von zum Beispiel 160 Hz und einer Bildintegrationszeit von zum Beispiel 1.100 μs aufnehmen.Excess charge carriers may be present in the silicon wafer 1 For example, be excited by light of a wavelength of 450 nm, for example. This light can be from a light emitting diode array 7 generated, which is modulated, for example, with a frequency of 40 Hz. The signal of infrared emission due to the generated excess charge carriers may be detected, for example, by an infrared camera 9 be detected in the wavelength range of 4-5 microns. This camera can take pictures at a refresh rate of, for example, 160 Hz and an image integration time of, for example, 1,100 μs.

Die Bilder können zum Beispiel direkt nach Beginn der Beleuchtung durch das Leuchtdiodenarray 7, das heißt zu Beginn der Anregungszeit, nach der Hälfte der Anregungszeit, direkt nach dem Ende der Anregung und nach der Hälfte der Zeit ohne Anregung aufgenommen werden. Durch ein Lock-in-Verfahren können die Bilder in Echtzeit mit einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion korreliert werden. Dazu können die von der Kamera 9 aufgenommenen Bilddaten über eine Leitung 11 an ein Computersystem 13 übertragen werden. Das Computersystem 13 ist wiederum einerseits über eine Steuerleitung 15 mit der Kamera 9 verbunden, um diese zu triggern, und ist andererseits über eine Leitung 17 mit einer Steuereinheit 19 verbunden, die das Leuchtdiodenarray 7 steuert.For example, the images can be taken directly after the illumination by the light-emitting diode array 7 , that is to say at the beginning of the excitation time, after half of the excitation time, directly after the end of the excitation and after half of the time without stimulation. Using a lock-in process, the images can be correlated in real time with a sine function and a cosine function. This can be done by the camera 9 recorded image data via a line 11 to a computer system 13 be transmitted. The computer system 13 is again on the one hand via a control line 15 with the camera 9 connected to trigger them, and on the other hand is via a line 17 with a control unit 19 connected to the light emitting diode array 7 controls.

2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines perfekt rechteckförmigen Anregungssignals 21, mit dem Überschussladungsträger in einer Halbleiterstruktur erzeugt werden, den Signalverlauf 23 einer Ladungsträgerlebensdauer von 1.000 μs und die Zeitunterintervalle 25, 27, 33, 35 der Bildnahme mit einer Bildintegrationszeit von 1.100 μs. 2 shows an example of the time course of a perfectly rectangular excitation signal 21 , are generated with the excess charge carriers in a semiconductor structure, the waveform 23 a carrier lifetime of 1000 μs and the time subintervals 25 . 27 . 33 . 35 Image acquisition with an image integration time of 1,100 μs.

Wie aus der 2 zu entnehmen, wird während eines Anregungszeitintervalls 31 zu Beginn zunächst innerhalb eines Zeitunterintervalls 25 ein erster Messwert S1 ermittelt. Dabei liegt das erste Zeitunterintervall 25 in einem Zeitraum, innerhalb dessen sich die Überschussladungsträgerkonzentration 23 noch kontinuierlich erhöht, das heißt noch nicht einen quasi-stationären Zustand erreicht hat. Ein zweiter Messwert S2 wird während eines zweiten Zeitunterintervalls 27 bestimmt, das innerhalb des Anregungszeitintervalls 31 später liegt, das heißt, zu einem Zeitpunkt, in dem sich die Überschussladungsträgerkonzentration im Wesentlichen nicht mehr erhöht und sich in einem quasi-stationären Zustand befindet.Like from the 2 is taken during an excitation time interval 31 initially at the beginning within a time subinterval 25 a first measured value S1 is determined. This is the first time subinterval 25 in a period of time within which the excess charge carrier concentration 23 still continuously increased, that is not yet reached a quasi-stationary state. A second measured value S2 is during a second time subinterval 27 determines that within the excitation time interval 31 later, that is, at a time when the excess charge carrier concentration is substantially no longer increasing and is in a quasi-steady state.

Um die Gesamtmessgenauigkeit zu erhöhen, können weitere Messwerte zu späteren Zeitunterintervallen 33, 35 direkt nach Abschalten der Anregung und zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sich ein quasi-stationärer Ruhezustand eingestellt hat, aufgenommen werden. Die Anregungszeitintervalle 31 und die nachfolgenden Ruhezeitintervalle 37 können zyklisch periodisch wiederholt werden, um so die Ermittlung mehrerer Messwerte S1, S2 und daraus resultierend die Mittelung oder die Korrelierung mit einer Sinus- bzw. Cosinus-Funktion zu ermöglichen.In order to increase the overall measuring accuracy, further measured values can be used at later time subintervals 33 . 35 immediately after switching off the excitation and at a later time, when a quasi-stationary resting state has set to be recorded. The excitation time intervals 31 and the following idle time intervals 37 can be cyclically repeated periodically, so as to enable the determination of several measured values S1, S2 and, as a result, the averaging or the correlation with a sine or cosine function.

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, analytically, a relationship between the carrier lifetime and the determined time shift between the excitation and the time-dependent measured values S1, S2 or the determined phase of the lock-in signal can be calculated, as has been partially expressed in the equations described above , From this, a table with lifetime-phase pairs can be created. For each recorded pixel, an assignment of the measured phase to a lifetime value can now be performed.

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 other elements. The term "a" does not exclude the presence of a plurality of objects. The reference numerals in the claims are merely for ease of reading and are not intended to limit the scope of the claims in any way.

Claims

Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur (1), wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen von Überschussladungsträgern in der Halbleiterstruktur (1) innerhalb eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls (31); 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 Zeitunterintervals (25), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat, und von ortsabhängigen zweiten Messwerten S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervals (27), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger einen quasi-stationären Zustand erreicht hat, wobei das erste Zeitunterintervall (25) vor dem zweiten Zeitunterintervall (27) 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.Method for the spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure ( 1 ), the method comprising: generating excess charge carriers in the semiconductor structure ( 1 ) within a predefinable excitation time interval ( 31 ); Determining, simultaneously for each of a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure, in each case of location-dependent first measured values S1 by integrating measurement signals that depend on a concentration of the excess charge carriers within a first time subinterval ( 25 ), in which the concentration of the excess charge carriers has not reached a quasi-stationary state, and of spatially dependent second measured values S2 by integrating measurement signals that depend on a concentration of the excess charge carriers within a second time subinterval ( 27 ), in which the concentration of the excess charge carriers has reached a quasi-stationary state, wherein the first time subinterval ( 25 ) before the second time subinterval ( 27 ) ends; Determining a value of the local carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure by relating the respective first measured value S1 with the respective second measured value S2.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei die lokale Ladungsträgerlebensdauer aus dem Quotienten S1/S2 eines jeweiligen ersten Messwertes S1 und eines jeweiligen zweiten Messwertes S2 ermittelt wird.The method of claim 1, wherein the local carrier lifetime is determined from the quotient S1 / S2 of a respective first measured value S1 and a respective second measured value S2.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und das zweite Zeitunterintervall (25, 27) beide innerhalb des Anregungszeitintervalls (31) enden oder das erste und das zweite Zeitunterintervall (25, 27) beide nach dem Anregungszeitintervall (31) enden.The method of claim 1 or 2, wherein the first and second time sub-intervals ( 25 . 27 ) both within the excitation time interval ( 31 ) or the first and second time subintervals ( 25 . 27 ) both after the excitation time interval ( 31 ) end up.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Zeitunterintervall (25) spätestens 10 ms nach dem Beginn oder nach dem Ende des Anregungszeitintervalls (31) endet.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the first time subinterval ( 25 ) at the latest 10 ms after the beginning or after the end of the excitation time interval ( 31 ) ends.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten und die zweiten Messwerte S1, S2 jeweils durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen über eine Integrationsdauer von weniger als 10 ms bestimmt werden.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the first and the second measured values S1, S2 are respectively determined by integrating on a measurement of the concentration of the excess charge carrier measuring signals over an integration period of less than 10 ms.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Anregungsintensität, mit der die Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur (1) erzeugt werden, innerhalb weniger als 50 μs auf ein Maximum ansteigt.Method according to one of claims 1 to 5, wherein an excitation intensity with which the excess charge carriers in the semiconductor structure ( 1 ) is increased to a maximum within less than 50 μs.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Überschussladungsträger mittels einer die Teiloberflächen der Halbleiterstruktur (1) beleuchtenden Lichtquelle (7) erzeugt werden.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the excess charge carriers by means of one of the partial surfaces of the semiconductor structure ( 1 ) illuminating light source ( 7 ) be generated.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ortsabhängigen ersten und zweiten Messwerte S1, S2 mit Hilfe einer Kamera (9) bestimmt werden.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the location-dependent first and second measured values S1, S2 by means of a camera ( 9 ).

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ortsabhängigen ersten und zweiten Messwerte S1, S2 durch Bestimmen der lokalen Absorption oder Emission von infraroter Strahlung ermittelt wird.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the location-dependent first and second measured values S1, S2 is determined by determining the local absorption or emission of infrared radiation.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei für jede Teiloberfläche mehrere erste Messwerte S1 und mehrere zweite Messwerte S2 mittels eines Lock-in-Verfahrens innerhalb zyklisch aufeinander folgender Anregungszeitintervalle (31) bestimmt werden und mit einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion korreliert werden.Method according to one of claims 1 to 9, wherein for each sub-surface a plurality of first measured values S1 and a plurality of second measured values S2 by means of a lock-in method within cyclically successive excitation time intervals ( 31 ) and correlated with a sine function and a cosine function.

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung einer lokalen Ladungsträgerlebensdauer in einer Halbleiterstruktur, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Überschussladungsträgererzeugungseinrichtung (7), die dazu ausgelegt ist, Überschussladungsträger in der Halbleiterstruktur (1) innerhalb eines vorgebbaren Anregungszeitintervalls (31) zu erzeugen; Messwertbestimmungseinrichtung (9), die dazu ausgelegt ist, gleichzeitig für jede einer Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur (1), jeweils ortsabhängige erste Messwerte S1 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines ersten Zeitunterintervals (25), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger noch keinen quasi-stationären Zustand erreicht hat, und ortsabhängigen zweite Messwerten S2 durch Aufintegrieren von von einer Konzentration der Überschussladungsträger abhängigen Messsignalen innerhalb eines zweiten Zeitunterintervals (27), in dem die Konzentration der Überschussladungsträger einen quasi-stationären Zustand erreicht hat, wobei das erste Zeitunterintervall (25) vor dem zweiten Zeitunterintervall (27) endet, zu bestimmen; eine Auswerteeinrichtung (13), die dazu ausgelegt ist, einen Wert der lokalen Ladungsträgerlebensdauer für jede der Mehrzahl von Teiloberflächen der Halbleiterstruktur (1) durch in-Relation-Setzen jeweils des ersten Messwertes S1 mit dem zweiten Messwert S2 zu ermitteln.Apparatus for the spatially resolved determination of a local charge carrier lifetime in a semiconductor structure, the apparatus comprising: an excess charge carrier generation device ( 7 ), which is designed to remove excess charge carriers in the semiconductor structure ( 1 ) within a predefinable excitation time interval ( 31 ) to create; Measured value determination device ( 9 ), which is designed to be used simultaneously for each of a plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure ( 1 ), in each case location-dependent first measured values S1 by integrating measurement signals which depend on a concentration of the excess charge carriers within a first time subinterval ( 25 ), in which the concentration of the excess charge carriers has not reached a quasi-stationary state, and location-dependent second measured values S2 by integrating measurement signals that depend on a concentration of the excess charge carriers within a second time subinterval ( 27 ), in which the concentration of the excess charge carrier has reached a quasi-stationary state, wherein the first Time subinterval ( 25 ) before the second time subinterval ( 27 ) ends to determine; an evaluation device ( 13 ), which is adapted to calculate a value of the local charge carrier lifetime for each of the plurality of sub-surfaces of the semiconductor structure ( 1 ) by setting each of the first measured value S1 with the second measured value S2.

Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Überschussladungsträgererzeugungseinrichtung eine Lichtquelle (7) aufweist.Apparatus according to claim 11, wherein the excess charge carrier generating means comprises a light source ( 7 ) having.

Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Messwertbestimmungseinrichtung eine Kamera (9) aufweist.Apparatus according to claim 11 or 12, wherein the measured value determination device is a camera ( 9 ) having.

Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Kamera (9) eine Integrationsdauer von weniger als 10 ms aufweist.Apparatus according to claim 13, wherein the camera ( 9 ) has an integration duration of less than 10 ms.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner aufweisend eine Lock-in-Einrichtung zum zeitlichen Korrelieren des Anregungszeitintervalls (31) und des ersten und zweiten Zeitunterintervalls (25, 27).Device according to one of claims 11 to 14, further comprising a lock-in device for temporally correlating the excitation time interval ( 31 ) and the first and second time subintervals ( 25 . 27 ).