Oberflächenphotospannung (SPV)

Die Messung der Oberflächenphotospannung (surface photo voltage, SPV) beruht auf der Änderung des Potentialverlaufs in der Raum­ladungszone/den Raumladungszonen der zu untersuchenden Halb­leiter­struktur bei Generation von Überschußladungen im Halbleiter durch Anregung mit Licht geeigneter Energie und Intensität.

Die zu untersuchende Probe ist dabei Teil einer Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur (MIS-Struktur), so daß die Änderung der Ober­flächen­photo­spannung kapazitiv ausgekoppelt werden kann. Eine aufwendige Kontaktpräparation entfällt somit, wodurch sich das Verfahren für eine schnelle Probencharakterisierung eignet.

Je nach experimentellen Bedingungen erlaubt die Messung der Ober­flächen­photo­spannung, Aussagen über eine Vielzahl von Parametern zu treffen, wie z.B. die Ladungsträgerlebensdauer, die Band­ver­biegung und die Grenzflächenzustandsdichte des Absorbers.

Dynamische SPV

Bei der dynamischen Oberflächenphotospannungsmessung wird die Probe pulsförmig mit konstanter Wellenlänge und hoher Intensität angeregt.

In Abhängigkeit von Anregungspulsdauer (pulse length dependent SPV, PD-SPV) und Photonenflußdichte (intensity dependent SPV, ID-SPV) können aus den SPV-Transienten Aus­sagen zur Oberflächenbandverbiegung sowie zur Ladungs­träger­lebensdauer gewonnen werden (transient SPV, TR-SPV). Messungen in Abhängigkeit von einer extern angelegten Spannung (voltage dependent SPV, VD-SPV) gestatten Aussagen über die energetische Verteilung der Grenzflächenzustandsdichte (D_it).

Statische SPV

Bei der statischen Oberflächenphotospannungsmessung wird als Funktion der Anregungswellenlänge die für eine konstant gehaltene Oberflächenphotospannung benötigte Lichtintensität gemessen. Über den Zusammenhang zwischen Anregungswellenlänge und Eindring­tiefe des Lichtes in die Probe kann die Diffusionslänge der Ladungsträger in der Probe bestimmt werden.

Apparative Ausstattung

Si-Photovoltaik betreibt mehrere SPV-Meßplätze, die auf unterschiedliche Aufgabengebiete abgestimmt sind. Alle Plätze verfügen über hochohmige, niedrigkapazitive Pufferverstärker zur Auskoppelung der SPV-Transienten sowie über eine Meßmöglichkeit für die Kapazität der MIS-Struktur.

Zur schnellen Probencharakterisierung sind Meßplätze mit Halbleiterlaser-Anregung für Messungen bei Raumtemperatur (λ=910 nm, P_Laser=210 W, t_Laser=160 ns) sowie bei Temperaturen bis 90 K (λ=905 nm, P_Laser=150 W, t_Laser=100 ns) vorhanden.

Tiefere Einblicke in die Physik der SPV-Methode gestattet eine SPV-Anlage mit Nd:YAG-Laser und angekoppeltem optisch-parametrischen Oszillator (λ=400 ...2500 nm, E_Laser=50 J, t_Laser=5 ns) sowie einem Halbleiterlaser mit (λ=910 nm, P_Laser=18 W (CW), t_Laser=100 ns - CW).

Messungen bei Raum- und Tieftemperatur sind ebenso möglich wie die gleichzeitige Messung von SPV und Photolumineszenz.

Untersuchte Materialien:

• c-Si: Oberflächen-Zustandsdichte D_it in Abhängigkeit der chemischen Probenvorbehandlung, effektive Ladungs­träger­lebensdauer, effektive Diffusionslänge
• SiO₂/c-Si: Interface-Zustandsdichte, effektive Ladungsträger­lebens­dauer
• a-Si/c-Si: c-Si Bandverbiegung am Interface, Interface-Zustandsdichte, effektive Ladungsträgerlebensdauer in Ab­hängigkeit der a-Si-Depositionsparameter