DE102011009937A1 - Method for measuring charge transfer property of semiconductor layer on thin-film solar cell, involves comparing detected measurement value with comparison measurement value that is detected using outer energetic influence of layer - Google Patents

Method for measuring charge transfer property of semiconductor layer on thin-film solar cell, involves comparing detected measurement value with comparison measurement value that is detected using outer energetic influence of layer Download PDF

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Abstract

The method involves contacting a substrate (3) with a portion (2.1) of a stripline (2), and coupling a semiconductor layer (4) to another portion (2.2) of the stripline. Electromagnetic waves with microwave frequency are capacitively-coupled into the former portion of the stripline using a layer of dielectric fluid and decoupled from the latter portion of the stripline. A measurement value at the stripline is detected during coupling of the waves. The detected value is compared with a comparison measurement value that is detected using an outer energetic influence of the semiconductor layer. An independent claim is also included for an arrangement for measuring electrical characteristics of a semiconductor layer on an electrical conductive substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Charakterisierung von Halbleiterschichten auf einem leitfähigen Substrat.The invention relates to a method and an arrangement for characterizing semiconductor layers on a conductive substrate.

Der Wirkungsgrad eines solchen komplexen Bauelements wie einer modernen Dünnschichtsolarzelle hängt im Wesentlichen von den Eigenschaften der Schichten, insbesondere der beteiligten Halbleiterschichten, ab, aus den die Dünnschichtsolarzelle aufgebaut ist. Üblicherweise sind eine Anzahl Halbleiterschichten über einem Substrat vorhanden. Die Anzahl von Halbleiterschichten ist auf der dem Substrat abgewandten Seite durch eine transparente Schutzschicht, wie z. B. einer Glasschicht, abgeschlossen.The efficiency of such a complex component as a modern thin-film solar cell essentially depends on the properties of the layers, in particular of the semiconductor layers involved, from which the thin-film solar cell is constructed. Usually, a number of semiconductor layers are present over a substrate. The number of semiconductor layers is on the side facing away from the substrate by a transparent protective layer, such. B. a glass layer completed.

Es ist dabei schwierig, eine mögliche Fehlfunktion der Dünnschichtsolarzelle auf die jeweiligen Eigenschaften einer bestimmten Halbleiterschicht eindeutig zurückzuführen, da die einzelnen Halbleiterschichten in einer fertigen Dünnschichtsolarzelle nicht direkt untersucht werden können. Besonders schwierig sind Untersuchungen an Halbleiterschichten auf leitfähigen Substraten, wie z. B. auf solchen wie der metallische Rückkontakt einer Solarzelle. Interessant sind die Zusammensetzung, Struktur und die Bandlücke, aber vor allem die Eigenschaften der Ladungsträgern in den Schichten, wie die Netto-Ladungsträgerkonzentrationen von Majoritäts- und die Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern.It is difficult to unequivocally attribute a possible malfunction of the thin-film solar cell to the respective properties of a specific semiconductor layer, since the individual semiconductor layers in a finished thin-film solar cell can not be directly examined. Particularly difficult are studies on semiconductor layers on conductive substrates, such. B. on such as the metallic back contact of a solar cell. Of interest are the composition, structure, and band gap, but especially the properties of the charge carriers in the layers, such as the net carrier concentrations of majority and the lifetime of minority carriers.

Bisher konnte man die umfassende Analytik vor allem auf Volumenhalbleiterkristalle anwenden. Insbesondere haben sich in den letzten Jahren verschiedene Versionen des QSSPC-Verfahrens (quasi steady-state photo conductance) für die Bestimmung der Lebensdauer in Si durchgesetzt ( Sinton et al. (1996), Appl. Phys. Lett., 69: 2510–2512 ). Bei dünnen Halbleiterschichten erfolgte dagegen die Charakterisierung elektrischer Eigenschaften meist anhand der Erfassung des Ladungstransports in den Halbleiterschichten in lateraler Richtung, wobei die Halbleiterschichten, zum Zwecke der Prüfung, zuvor auf ein nichtleitfähiges Substrat abgeschieden wurden. Bekannt ist ein Verfahren nach van der Pauw (1958, Philips Research Reports. 13, Nr. 1, 5. 1–9) zur Bestimmung der Parameter von Majoritätsladungsträgern.So far, one could apply the comprehensive analysis especially on volume semiconductor crystals. In particular, in recent years, various versions of the QSSPC method (quasi steady-state photo conductance) for the determination of the lifetime in Si have prevailed ( Sinton et al. (1996) Appl. Phys. Lett., 69: 2510-2512 ). In the case of thin semiconductor layers, on the other hand, the characterization of electrical properties was mostly carried out on the basis of the detection of the charge transport in the semiconductor layers in the lateral direction, the semiconductor layers having been previously deposited on a nonconductive substrate for the purpose of testing. A method is known van der Pauw (1958, Philips Research Reports 13, No. 1, 5. 1-9) for determining the parameters of majority carriers.

Dieses Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: Erstens ist, bedingt durch die anisotrope polykristalline Struktur von dünnen Halbleiterschichten sowie durch den Verlauf der Korngrenzen, der Ladungstransport in der lateralen Richtung wesentlich verschieden vom Ladungstransport in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche. Nach der van der Pauw-Methode wird der laterale Transport untersucht, dagegen ist für die Funktion der Solarzelle der senkrechte Ladungstransport, insbesondere in der Absorberschicht, von großer Bedeutung.This method has two major disadvantages. First, due to the anisotropic polycrystalline structure of thin semiconductor layers and the grain boundary, charge transport in the lateral direction is substantially different from charge transport in the direction perpendicular to the layer surface. According to the van der Pauw method, the lateral transport is investigated, whereas for the function of the solar cell the vertical charge transport, in particular in the absorber layer, is of great importance.

Zweitens verläuft das Wachstum der Halbleiterschicht auf einem fremden, isolierenden Substrat in der Regel anders als auf dem elektrisch leitenden Rückkontakt einer Solarzelle. Durch diese zwei wesentliche Störungen sind die Messdaten von Teststrukturen auf fremden Substraten für die Eigenschaften von denselben Schichten in der Solarzelle nur bedingt bis nicht aussagefähig.Second, the growth of the semiconductor layer on a foreign, insulating substrate usually proceeds differently than on the electrically conductive back contact of a solar cell. Due to these two significant disturbances, the measurement data of test structures on foreign substrates for the properties of the same layers in the solar cell are only limited to meaningless.

Es sind weitere Messverfahren bekannt. Elektrische Messungen der Änderung der Oberflächenspannung sowie Verfahren unter Verwendung einer Kelvinsonde sind schwer quantitativ auswertbar, da die Anfangs-Bandverbiegung nicht bekannt ist. Bei den optischen ellipsometrischen Messungen ist der Zusammenhang zwischen der optischen Absorption und dem DC-Ladungstransport nicht eindeutig. Außerdem erfordern ellipsometrische Messungen glatte Oberflächen und Grenzflächen. Zeitaufgelöste (transiente) Photolumineszenz (TRPL) wird angewandt, jedoch liegt die typische Lebensdauer, speziell in Dünnschichtsolarzellen, bereits in der Größenordnung der Pulsdauer eines typischen Pulslasers. Versuche, die senkrechte Leitfähigkeit direkt durch Aufbringen eines leitfähigen Kontaktes auf die Halbleiterschicht zu messen, scheitern wegen Shunts sowie wegen unbekannter und qualitativ ungenügender Kontakteigenschaften zum niedrigdotierten Halbleiter, z. B. einer Absorberschicht.Other measuring methods are known. Electrical measurements of the surface tension change and methods using a Kelvin probe are difficult to evaluate quantitatively since the initial band bending is not known. In optical ellipsometric measurements, the relationship between optical absorption and DC charge transport is not clear. In addition, ellipsometric measurements require smooth surfaces and interfaces. Time-resolved (transient) photoluminescence (TRPL) is used, but the typical lifetime, especially in thin film solar cells, is already on the order of the pulse duration of a typical pulsed laser. Attempts to measure the perpendicular conductivity directly by applying a conductive contact on the semiconductor layer, fail because of shunts and because of unknown and poor quality contact with the low-doped semiconductor, z. B. an absorber layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Bestimmen von Änderungen der Ladungstransporteigenschaften einer Halbleiterschicht zu finden, die Untersuchungen in Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche und eine reproduzierbare Kontaktierung der Halbleiterschicht gestattet.The invention has for its object to find a new way to determine changes in the charge transport properties of a semiconductor layer, the investigations in the direction perpendicular to the layer surface and a reproducible contacting the semiconductor layer allows.

Die Aufgabe wird in einem Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten gelöst:

  • – Kontaktieren des Substrats mit einem ersten Abschnitt einer planaren Mikrowellenleitung;
  • – Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht an einen zweiten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die nach oben weisende Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv erfolgt;
  • – Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz in den ersten Abschnitt der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung;
  • – Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind;
  • – Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfasst wird.
The object is achieved in a method for measuring electrical properties of at least one semiconductor layer, which is located on an electrically conductive substrate and is thus electrically short-circuited in the lateral direction by the substrate, with the following steps:
  • - contacting the substrate with a first portion of a planar microwave line;
  • - Producing a coupling of the semiconductor layer to a second portion of the planar microwave line, wherein the coupling via the upwardly facing surface of the semiconductor layer is capacitive;
  • - coupling electromagnetic waves of a microwave frequency into the first section of the planar microwave line and coupling out of the second section of the microwave line;
  • - detecting at least one measured value on the planar microwave line while the microwaves are coupled to a microwave frequency;
  • - Comparing the measured value detected at a microwave frequency with at least one subsequent comparison measured value, which is detected at an external energetic influence of the semiconductor layer.

Die Grundidee der Erfindung basiert auf der Auswertung der Änderung der stationären Mikrowellenleitfähigkeit der Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der äußeren energetischen Beeinflussung, ohne dass Transienten aufgenommen werden und es bei der Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration zum Mikrowellenresonanz kommt.The basic idea of the invention is based on the evaluation of the change of the stationary microwave conductivity of the semiconductor layer as a function of the external energetic influence, without transients being recorded and the microwave resonance being determined in the determination of the carrier concentration.

Die kapazitive Ankopplung der Halbleiterschicht an den zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung durch eine auf die Oberfläche der Halbleiterschicht aufgebrachte Schicht (Flüssigkeitsschicht) einer dielektrischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Schichtdicke der Flüssigkeitsschicht konstant gehalten wird.The capacitive coupling of the semiconductor layer to the second section of the microwave line is effected by a layer (liquid layer) of a dielectric liquid applied to the surface of the semiconductor layer, the layer thickness of the liquid layer being kept constant.

Eine energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht kann durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Eine energetische Beeinflussung kann sowohl in einer Erhöhung (z. B: Erwärmung, Anregung) als auch in einer Reduzierung (z. B. Abkühlung, Abschattung) der Halbleiterschicht bestehen.An energetic influencing of the semiconductor layer can take place by irradiation with an electromagnetic radiation. An energetic influence can consist both in an increase (eg: heating, excitation) and in a reduction (eg cooling, shading) of the semiconductor layer.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht durch eine Änderung der Temperatur der Halbleiterschicht erfolgt.In a preferred embodiment of the invention, the energetic influencing of the semiconductor layer is effected by a change in the temperature of the semiconductor layer.

Dies kann mittels Bestrahlung durch ein mit dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung verbundenes Kontaktierungselement der Flüssigkeitsschicht hindurch erfolgt. Das Kontaktierungselement und die Flüssigkeitsschicht sind dann im Wesentlichen für die verwendete Strahlung transparent.This can take place by means of irradiation through a contacting element of the liquid layer connected to the second section of the microwave line. The contacting element and the liquid layer are then substantially transparent to the radiation used.

In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können folgende zusätzliche Schritte erfolgen:

  • – Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und keine Halbleiterschicht vorhanden ist;
  • – Erfassen mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine Halbleiterschicht vorhanden ist.
In a further embodiment of the method according to the invention, the following additional steps can take place:
  • Detecting at least one reference measured value at the second section of the microwave line, while the electromagnetic waves are coupled to the microwave frequency and no semiconductor layer is present;
  • - Detecting at least one measured value at the second portion of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency are coupled and a semiconductor layer is present.

Es ist dabei möglich, dass zeitlich aufeinanderfolgend elektromagnetische Wellen mit je einer Mikrowellenfrequenz aus einer gewählten Bandbreite von Mikrowellenfrequenzen in die Mikrowellenleitung eingekoppelt werden, bis eine Grenzfrequenz gefunden ist, durch die ein vorbestimmtes Auswahlkriterium erfüllt ist.It is possible that temporally successive electromagnetic waves, each with a microwave frequency from a selected range of microwave frequencies are coupled into the microwave line until a cutoff frequency is found by a predetermined selection criterion is met.

Ein solches vorbestimmtes Auswahlkriterium kann in der Bestimmung der Grenzfrequenz ωG der Mikrowellen-Transmissionsfunktion bestehen, welche die Bedingung 1/ωG CH = RH erfüllt, wobei RH der elektrische Widerstand der Halbleiterschicht und CH die bekannte Kapazität der Halbleiterschicht sind.Such a predetermined selection criterion may consist in the determination of the cut-off frequency ω G of the microwave transmission function satisfying the condition 1 / ω G C H = R H , where R H is the electrical resistance of the semiconductor layer and C H is the known capacitance of the semiconductor layer.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine Berücksichtigung des Probenträgers einschließlich der Flüssigkeitsschicht durch Auswertung der Referenzmesswerten.In an advantageous embodiment of the method, the sample carrier, including the liquid layer, is taken into account by evaluating the reference measured values.

Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass, wenn mindestens eine Eigenschaft der Halbleiterschicht durch eine Änderung einer auf die Halbleiterschicht aufgebrachten Energie beeinflusst wird, die Beeinflussung zu einer erfassbaren Änderung der Grenzfrequenz führt.An advantage of the method is that if at least one property of the semiconductor layer is influenced by a change in an energy applied to the semiconductor layer, the influence leads to a detectable change in the cutoff frequency.

Die Änderung der Grenzfrequenz kann mittels eines nach dem Lock-in-Prinzip arbeitenden Bauelements erfolgen.The change of the cutoff frequency can be effected by means of a working according to the lock-in principle device.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet, gelöst. Die Anordnung ist zu beschreiben mit:

  • – einer planaren Mikrowellenleitung, die in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt voneinander separiert sind;
  • – Mitteln zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Substrats durch den ersten Abschnitt;
  • – Mitteln zur gesteuerten Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz und zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den ersten Abschnitt an einem Eingang der Mikrowellenleitung;
  • – einem Kontaktierungselement zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen dem zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt der Mikrowellenleitung, wobei das Kontaktierungselement mit der vom Substrat abgewandten Oberfläche der Halbleiterschicht kapazitiv kontaktierbar ist;
  • – Mitteln zur Erfassung mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt an einem Ausgang der Mikrowellenleitung;
  • – Mittel zum Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht erfassbar ist.
The object is further achieved by an arrangement for measuring electrical properties of at least one semiconductor layer which is located on an electrically conductive substrate. The arrangement is to be described with:
  • A planar microwave line divided into a first portion and a second portion, the first portion and the second portion being separated from each other;
  • - Means for electrically conductive contacting of the substrate by the first section;
  • - means for controlled generation of electromagnetic waves having at least one microwave frequency and for coupling the electromagnetic waves in the first section at an input of the microwave line;
  • A contacting element for producing an electrically conductive contact between the second section and the first section of the microwave line, wherein the contacting element is capacitively contactable with the surface of the semiconductor layer facing away from the substrate;
  • - means for detecting at least one measured value at the second section at an output of the microwave line;
  • - Means for comparing the measured value detected at a microwave frequency with at least one subsequent comparison measured value, which is detectable in an external energetic influencing of the semiconductor layer.

Die planare Mikrowellenleitung kann durch flache Element gegeben sein, die für Mikrowellen leitfähig und zueinander beabstandet sind. Eine planare Mikrowellenleitung kann beispielsweise eine Streifenleitung sein, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei verläuft eine Streifenleitung parallel zu einer Plattenelektrode und ist von dieser durch ein nicht-leitendes Medium, z. B. Luft oder ein Werkstoff einer Halbleiterplatine, beabstandet.The planar microwave line may be given by flat elements which are conductive to microwaves and spaced from one another. For example, a planar microwave line may be a stripline, as known in the art. In this case, a strip line runs parallel to a plate electrode and is separated from it by a non-conductive medium, for. As air or a material of a semiconductor board, spaced.

Zur kapazitiven Kontaktierung der Halbleiterschicht ist eine Flüssigkeitsschicht einer dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen.For capacitive contacting of the semiconductor layer, a liquid layer of a dielectric liquid is provided.

Es ist dabei von großem Vorteil, wenn ein Abstandshalter zur Konstanthaltung der Dicke der Flüssigkeitsschicht zwischen der Halbleiterschicht und dem Kontaktierungselement vorhanden ist.It is of great advantage if a spacer for maintaining the thickness of the liquid layer between the semiconductor layer and the contacting element is present.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn am Kontaktierungselement lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements gegenüber dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung und gegenüber der Halbleiterschicht angebracht sind.It is furthermore advantageous if releasable means for generating pressure and fixing the contacting element with respect to the second section of the microwave line and with respect to the semiconductor layer are attached to the contacting element.

In einer weiterführenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung können

  • – Mittel zum Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz eingekoppelt sind und eine metallische Referenzprobe ohne Halbleiterschicht und
  • – Mittel zum Vergleichen des bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Messwertes mit mindestens dem bei der Mikrowellenfrequenz erfassten Referenzmesswert vorhanden sein.
In a further embodiment of the arrangement according to the invention
  • - Means for detecting at least one reference measured value at the second portion of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency are coupled and a metallic reference sample without semiconductor layer and
  • - Means for comparing the detected at the microwave frequency measurement with at least the detected at the microwave frequency reference measurement be present.

Es ist eine bevorzugte Ausführung der Anordnung, wenn die Mittel zum Vergleich des mindestens einen erfassten Messwertes und des mindestens einen erfassten Vergleichsmesswertes oder Referenzmesswertes wenigstens ein nach dem Lock-in-Prinzip arbeitendes Bauelement enthalten.It is a preferred embodiment of the arrangement if the means for comparing the at least one detected measured value and the at least one detected comparative measured value or reference measured value contain at least one element operating according to the lock-in principle.

In einer erfindungsgemäßen Anordnung wird eine kapazitive Ankopplung des Halbleiters durch die Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, z. B. Wasser oder Glyzerin, realisiert, womit die Kontaktproblematik vollständig gelöst ist. Diese Art und Weise der Kontaktierung der Oberfläche der Halbleiterschicht ist kaum empfindlich gegen lokale Kurzschlüsse wegen der fehlenden Halbleiterschicht (Shunts). Sie zerstört zudem die Halbleiterschicht nicht und ist, bei Zuhilfenahme eines Abstandhalters zur Gewährleistung einer konstanten Dicke der Flüssigkeitsschicht der Flüssigkeit, gut reproduzierbar. Im Gegensatz zum klassischen QSSPC wird nicht die Gleichstromimpedanz, sondern eine Mikrowellenimpedanz zwischen einem Eingang und einem Ausgang der Mikrowellenleitung gemessen. Die Messung kann mit einem Netzwerkanalysator oder einfacher mit einem Mikrowellengenerator am Eingang und einem Mikrowellendetektor, z. B. einem Diodenmesskopf, am Ausgang realisiert werden.In an arrangement according to the invention, a capacitive coupling of the semiconductor by the liquid with a high dielectric constant, for. As water or glycerol, realized, so that the contact problem is completely solved. This way of contacting the surface of the semiconductor layer is hardly sensitive to local short circuits because of the missing semiconductor layer (shunts). It also does not destroy the semiconductor layer and is, with the aid of a spacer to ensure a constant thickness of the liquid layer of the liquid, well reproducible. In contrast to the classical QSSPC, it is not the DC impedance that is measured but a microwave impedance between an input and an output of the microwave line. The measurement can be done with a network analyzer or, more simply, with a microwave generator at the input and a microwave detector, e.g. B. a diode sensor, be realized at the output.

Es ist in weiteren Ausführungen der Erfindung auch möglich, dass die Plattenelektrode streifenförmig ausgebildet ist.It is also possible in further embodiments of the invention that the plate electrode is strip-shaped.

Das Mikrowellensignal wird mittels lock-in-Technik in Taktung mit der energetischen Beeinflussung (z. B. mittels Bestrahlung) der Halbleiterschicht ausgewertet. Die Bestrahlung der Halbleiterschicht geschieht durch ein transparentes Kontaktierungselement, z. B. aus ITO-beschichtetem Glas.The microwave signal is evaluated by means of lock-in technology in synchronization with the energetic influencing (eg by means of irradiation) of the semiconductor layer. The irradiation of the semiconductor layer is done by a transparent contacting element, for. B. of ITO-coated glass.

Das Funktionsprinzip des Verfahrens kann so erklärt werden, dass durch die Änderung der Konzentration von Ladungsträgern, z. B. je nach Bestrahlungsintensität, unmittelbar der Widerstand des Halbleiters RH beeinflusst wird.The principle of operation of the method can be explained so that by changing the concentration of charge carriers, for. B. depending on the irradiation intensity, directly the resistance of the semiconductor R H is affected.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Kapazität CH durch die Halbleiterschicht selbst gebildet und ist durch die gegebene Dielektrizitätskonstante des Halbleiters und die Abmessungen der Halbleiterschicht bekannt. Die Kapazität CL der Flüssigkeitsschicht wird durch die verwendete Flüssigkeit vorgegeben und soll möglichst groß sein.In a preferred embodiment of the invention, the capacitance C H is formed by the semiconductor layer itself and is known from the given dielectric constant of the semiconductor and the dimensions of the semiconductor layer. The capacity C L of the liquid layer is predetermined by the liquid used and should be as large as possible.

Bei einer Mikrowellenfrequenz wesentlich höher als die Grenzfrequenz ist der Blindwiderstand X(CH) = 1/iω CH sehr klein im Vergleich zu RH. Somit ist RH praktisch kurzgeschlossen und seine Änderung durch Bestrahlung oder andere energetische Beeinflussung beeinflusst nicht die Impedanz der Halbleiterschicht. Bei dieser hohen Mikrowellenfrequenz verhält sich der Probenhalter wie ein Kondensator mit einem reinen Blindwiderstand. Bei einer niedrigen Mikrowellenfrequenz wesentlich niedriger als die Grenzfrequenz ist 1/ω CH » RH so dass die Kapazität CH der Halbleiterschicht vernachlässigbar ist. Eine Änderung von RH führt zu einer großen Änderung der Impedanz. Es kann gezeigt werden, dass die Grenzbedingung 1/ω CH = RH bei einer Grenzfrequenz G = 1/(εε0ρ)• (1) erfüllt wird.At a microwave frequency much higher than the cutoff frequency, the reactance X (C H ) = 1 / iω C H is very small compared to R H. Thus, R H is practically shorted and its change due to irradiation or other energetic influence does not affect the impedance of the semiconductor layer. At this high microwave frequency, the sample holder behaves like a capacitor with a pure reactance. At a low microwave frequency much lower than the cut-off frequency is 1 / ω C H »R H so that the capacitance C H of the semiconductor layer is negligible. A change in R H results in a large change in impedance. It can be shown that the boundary condition 1 / ω C H = R H at a cutoff frequency G = 1 / (εε 0 ρ) • (1) is fulfilled.

Hier ist die Grenzfrequenz ωG die Kreisfrequenz der Mikrowellenstrahlung entsprechend dem Grenzfall, εε0 die absolute Dielektrizitätskonstante und ρ der spezifische Widerstand des Halbleiters. Da die Dielektrizitätskonstante für verschiedene Halbleiter bekannt ist und sich wenig ändert, ermöglicht die Messung der Grenzfrequenz ωG eine unmittelbare Bestimmung des spezifischen Widerstands ρ des Halbleiters in der Halbleiterschicht. Here, the limit frequency ω G is the angular frequency of the microwave radiation corresponding to the limiting case, εε 0 the absolute dielectric constant and ρ the resistivity of the semiconductor. Since the dielectric constant for various semiconductors is known and changes little, the measurement of the cut-off frequency ω G allows an immediate determination of the specific resistance ρ of the semiconductor in the semiconductor layer.

Einer Frequenz von 1 GHz und ε = 10 entspricht der spezifische Widerstand ρ = 180 Ohm·cm. Dieser Wert entspricht in etwa einem unbeleuchteten schwachdotierten Solarzellenabsorber. Insofern kann der Widerstand der unbeleuchteten Halbleiterschicht bestimmt werden. Bei der Erhöhung der Intensität einer Bestrahlung (Belichtung) sinkt der spezifische Widerstand ρ und steigt die Grenzfrequenz ωG. Zur Bestimmung der Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern nach dem QSSPC-Prinzip wird die Mikrowellenfrequenz konstant gehalten und die Bestrahlungsintensität wird variiert.A frequency of 1 GHz and ε = 10 corresponds to the specific resistance ρ = 180 Ohm · cm. This value corresponds approximately to an unlit low-doped solar cell absorber. In this respect, the resistance of the unlit semiconductor layer can be determined. When increasing the intensity of an irradiation (exposure), the specific resistance ρ decreases and the limit frequency ω G increases . To determine the lifetime of minority carriers according to the QSSPC principle, the microwave frequency is kept constant and the irradiation intensity is varied.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:The invention will be explained in more detail with reference to figures and embodiments. The pictures show:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in a) einer seitliche Ansicht und b) in der Draufsicht; 1 a first embodiment of the inventive arrangement in a) a side view and b) in plan view;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung als Blockschaltbild und 2 A second embodiment of the inventive arrangement as a block diagram and

3 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung als Ersatzschaltung. 3 the first embodiment of the inventive arrangement as an equivalent circuit.

Als wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Anordnung sind in 1a) ein Probenhalter 1 mit einem Kontaktfuß 8 zur Kontaktierung eines zweiten Abschnitts 2.2 einer als Streifenleitung 2 ausgebildeten planaren Mikrowellenleitung, ein horizontal angeordneter flächiger Träger 7 als Kontaktierungselement, der an seiner Unterseite mit einer Beschichtung 7.1 versehen ist, ein an einem Eingang der Streifenleitung 2 angeordneter Mikrowellengenerator 10 und ein an einem Ausgang der Streifenleitung 2 angeordneter Mikrowellendetektor 11 gezeigt.As essential elements of an inventive arrangement are in 1a) a sample holder 1 with a contact foot 8th for contacting a second section 2.2 one as a stripline 2 formed planar microwave line, a horizontally arranged planar carrier 7 as a contacting element, on its underside with a coating 7.1 is provided, one at an input of the stripline 2 arranged microwave generator 10 and one at an output of the stripline 2 arranged microwave detector 11 shown.

Die Streifenleitung 2 ist über einer elektrisch leitfähigen Plattenelektrode 2.3 und von dieser beabstandet angeordnet und weist eine gleichmäßige Breite auf. Zwischen der Streifenleitung 2 und der Plattenelektrode 2.3 befindet sich ein elektrisch nicht leitender Kunststoff. Von dem Eingang (generatorseitig) der Streifenleitung 2 aus erstreckt sich ein erster Abschnitt 2.1 der Streifenleitung 2 parallel zu der Plattenelektrode 2.3 in Richtung des Ausgangs A (detektorseitig) der Streifenleitung 2. Der erste Abschnitt 2.1 ist von dem zweiten Abschnitt 2.2 durch einen Spalt separiert.The stripline 2 is over an electrically conductive plate electrode 2.3 and spaced therefrom and has a uniform width. Between the stripline 2 and the plate electrode 2.3 there is an electrically non-conductive plastic. From the input (generator side) of the stripline 2 out extends a first section 2.1 the stripline 2 parallel to the plate electrode 2.3 towards the output A (detector side) of the stripline 2 , The first paragraph 2.1 is from the second section 2.2 separated by a gap.

Auf dem zweiten Abschnitt 2.2 ist der Kontaktfuß 8 an demjenigen Ende des zweiten Abschnitts 2.2 aufgesetzt, der dem ersten Abschnitt 2.1 am nächsten liegt. Auf dem Kontaktfuß 8 ist der aus Glas bestehende Träger 7 horizontal aufgelegt, wobei die aus einer Schicht Indiumzinnoxid gebildete Beschichtung 7.1 auf dem Kontaktfuß 8 aufliegt und der Kontaktfuß 8 durch die Beschichtung 7.1 elektrisch leitend kontaktiert ist.On the second section 2.2 is the contact foot 8th at the end of the second section 2.2 put on the first section 2.1 is closest. On the contact foot 8th is the carrier made of glass 7 placed horizontally, wherein the coating formed from a layer of indium tin oxide 7.1 on the contact foot 8th rests and the contact foot 8th through the coating 7.1 electrically conductive contacted.

Der Träger 7 ragt, ausgehend von dem Kontaktfuß 8, über eine Teillänge des ersten Abschnitts 2.1. Zwischen dem ersten Abschnitt 2.1 und dem überragenden Teil des Trägers 7 ist ein elektrisch leitfähiges Substrat 3 mit einer darauf aufgebrachten Halbleiterschicht 4 so angeordnet, dass durch das Substrat 3 der erste Abschnitt 2.1 kontaktiert ist und die Halbleiterschicht 4 nach oben weist. Als Substrat 3 ist Kupfer, als Halbleiterschicht 4 ist eine Schicht CuInS2 mit einer Schichtdicke von 1,5 μm gewählt. Eine Grundfläche des Substrats 3 mit der Halbleiterschicht 4 ist so breit wie die Breite des Streifenleiters 2.The carrier 7 protrudes, starting from the contact foot 8th , over a partial length of the first section 2.1 , Between the first section 2.1 and the towering part of the vehicle 7 is an electrically conductive substrate 3 with a semiconductor layer applied thereon 4 arranged so that through the substrate 3 the first paragraph 2.1 is contacted and the semiconductor layer 4 points upwards. As a substrate 3 is copper, as a semiconductor layer 4 a layer CuInS 2 is selected with a layer thickness of 1.5 microns. A base of the substrate 3 with the semiconductor layer 4 is as wide as the width of the stripline 2 ,

Ein zwischen der Halbleiterschicht 3 und der Beschichtung 7.1 verbleibender Spalt ist mit einer Flüssigkeitsschicht 6, die durch Glyzerin gebildet ist, ausgefüllt. Die Flüssigkeitsschicht 6 ist von einem ringförmigen Abstandshalter 5 umgrenzt, dessen Aufgabe in der Zurückhaltung des Glyzerins sowie in der Gewährleistung eines vorbestimmten Abstands zwischen der Halbleiterschicht 4 und der Beschichtung 7.1 besteht. Die Halbleiterschicht 4 weist eine bekannte elektrische Kapazität CH und einen elektrischen Widerstand RH auf. Die Flüssigkeitsschicht 6 stellt eine Kapazität CL dar.One between the semiconductor layer 3 and the coating 7.1 remaining gap is with a liquid layer 6 filled with glycerine. The liquid layer 6 is from an annular spacer 5 whose task is to retain the glycerin and to ensure a predetermined distance between the semiconductor layer 4 and the coating 7.1 consists. The semiconductor layer 4 has a known electrical capacitance C H and an electrical resistance R H. The liquid layer 6 represents a capacity C L.

Der Abstandshalter 5 kann in weiteren Ausführungen anders gestaltet sein. Er kann beispielsweise aus mindestens drei Kugeln, Ringsegmenten, z. B. aus Viton, oder sogar aus Tropfen eines Klebstoffs bestehen.The spacer 5 can be designed differently in other versions. It can for example consist of at least three balls, ring segments, z. B. Viton, or even from drops of an adhesive.

Der erste Abschnitt 2.1 und der zweite Abschnitt 2.2 sind durch den Probenhalter 1, die Flüssigkeitsschicht 6, die Halbleiterschicht 4 und das Substrat 3 kapazitiv gekoppelt.The first paragraph 2.1 and the second section 2.2 are through the sample holder 1 , the liquid layer 6 , the semiconductor layer 4 and the substrate 3 capacitively coupled.

Durch eine auf den Träger 7 wirkende Kraft F ist der Träger 7 auf den Kontaktfuß 8 und den Abstandshalter 5 gedrückt, wodurch sowohl der Träger 7 als auch der Abstandshalter 5 sowie das Substrat 3 gehalten sind.By one on the carrier 7 acting force F is the carrier 7 on the contact foot 8th and the spacer 5 pressed, causing both the wearer 7 as well as the spacer 5 as well as the substrate 3 are held.

Die Kraft F kann durch lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements (nicht gezeigt) wie Federsysteme oder Klemmvorrichtungen aufgebracht sein.The force F can be achieved by releasable means for generating and fixing the pressure Contacting element (not shown) such as spring systems or clamping devices applied.

In weiteren Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Halterung der Elemente des Probenhalters 1 auch anders, z. B. formschlüssig, bewirkt sein.In further embodiments of the arrangement according to the invention, a holder of the elements of the sample holder 1 also different, z. B. positively, causes.

Der Träger 7 ragt, wie in 1 b) dargestellt, seitlich über die Streifenleitung 2. Die größere Breite des Trägers 7 ergibt denselben Wellenwiderstand über der Plattenelektrode 2.3, wie die Abschnitte des Streifenleiters 2.1 und 2.2, da der Träger 7 sich im größeren Abstand zur Plattenelektrode 2.3 befindet. Insofern wird eine reflexionsarme Kontaktierung der Probe (Substrat 3 mit Halbleiterschicht 4) erreicht.The carrier 7 sticks out as in 1 b) shown laterally over the stripline 2 , The larger width of the carrier 7 gives the same characteristic impedance across the plate electrode 2.3 like the sections of the stripline 2.1 and 2.2 as the carrier 7 at a greater distance to the plate electrode 2.3 located. In this respect, a reflection-poor contacting of the sample (substrate 3 with semiconductor layer 4 ) reached.

Durch den Mikrowellengenerator 10 sind Mikrowellen in den Streifenleiter 2 und in die Plattenelektrode 2.3 einkoppelbar. Durch den Mikrowellendetektor 11 sind Mikrowellen detektierbar und an weitere Komponenten einer Anordnung weiterleitbar.Through the microwave generator 10 are microwaves in the stripline 2 and into the plate electrode 2.3 be coupled. Through the microwave detector 11 microwaves are detectable and forwarded to other components of an arrangement.

Oberhalb des Trägers 7 sind Mittel vorhanden (nicht gezeigt) durch die gesteuert eine bestimmte Energie durch den Träger 7, die Beschichtung 7.1 und die Flüssigkeitsschicht 6 auf die Halbleiterschicht 4 eingebracht werden kann. Die Elemente Träger 7, Beschichtung 7.1 und Flüssigkeitsschicht 6 sind für die Energie transparent, während durch die Halbleiterschicht 4 mindestens ein Teil der Energie absorbiert ist.Above the carrier 7 There are means (not shown) through which a certain energy is controlled by the wearer 7 , the coating 7.1 and the liquid layer 6 on the semiconductor layer 4 can be introduced. The elements carrier 7 , Coating 7.1 and liquid layer 6 are transparent to the energy while passing through the semiconductor layer 4 at least part of the energy is absorbed.

Aufbauend auf eine Anordnung gemäß 1 ist in 2 eine zweite Ausführung als Blockschaltbild gezeigt, anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert werden soll.Based on an arrangement according to 1 is in 2 a second embodiment shown as a block diagram, based on which the inventive method is to be explained by way of example.

In dem Probenhalter 1 ist, wie zu 1 beschrieben, ein Substrat 3 mit einer Halbleiterschicht 4 gehalten. Mittels des Mikrowellengenerators 10 werden Mikrowellen einer gewählten Mikrowellenfrequenz ω in den ersten Abschnitt 2.1 des Streifenleiters 2 und in die Plattenelektrode 2.3 eingekoppelt.In the sample holder 1 is how to 1 described a substrate 3 with a semiconductor layer 4 held. By means of the microwave generator 10 Microwaves of a selected microwave frequency ω in the first section 2.1 of the stripline 2 and into the plate electrode 2.3 coupled.

Durch den Mikrowellendetektor 11 werden detektorseitig nach dem Probenhalter 1 Mikrowellen detektiert und an einem mit dem Mikrowellendetektor 11 signalleitend verbundenen Lock-in-Verstärker 13 weitergeleitet. Die durch den Lock-in-Verstärker 13 gefilterten und verstärkten Signale werden auf einer Anzeige 14 dargestellt. Durch einen Taktgenerator 12, der mit einer Strahlungsquelle 9 und dem Lock-in-Verstärker 13 signalleitend verbunden ist, werden der Lock-in-Verstärker 13 und die Strahlungsquelle 9 getaktet. Durch eine getaktete Bestrahlung der Halbleiterschicht 4 und die entsprechend getaktete Filterung und Verstärkung der Signale wird eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung erreicht.Through the microwave detector 11 be on the detector side after the sample holder 1 Microwave detected and at one with the microwave detector 11 signal-conducting connected lock-in amplifier 13 forwarded. The through the lock-in amplifier 13 filtered and amplified signals appear on a display 14 shown. By a clock generator 12 that with a radiation source 9 and the lock-in amplifier 13 signal-conducting connected, become the lock-in amplifier 13 and the radiation source 9 clocked. By pulsed irradiation of the semiconductor layer 4 and the appropriately timed filtering and amplification of the signals, an increase in the sensitivity of the device is achieved.

Die Strahlungsquelle 9 ist so gestaltet (z. B. als LED), dass durch sie Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung auf die Halbleiterschicht 4 aufgebracht wird. Träger 7, Beschichtung 7.1 sowie Flüssigkeitsschicht 6 sind so gewählt, dass sie für die Energie weitgehend transparent sind.The radiation source 9 is designed (eg, as an LED) that through them energy in the form of electromagnetic radiation on the semiconductor layer 4 is applied. carrier 7 , Coating 7.1 as well as liquid layer 6 are chosen so that they are largely transparent to the energy.

Durch die Wahl der Mikrowellenfrequenz ω der eingekoppelten Mikrowellen können durch den Mikrowellendetektor 11 frequenzspezifische elektrische Eigenschaften der Halbleiterschicht 4 erfasst werden. Die bei den jeweiligen gewählten Mikrowellenfrequenzen ω erfassten Messwerte können gespeichert und beliebig miteinander verglichen werden, wobei bei einer bestimmten Mikrowellenfrequenz ω erfasste Messwerte als Vergleichsmesswerte gewählt werden können.By choosing the microwave frequency ω of the coupled microwaves can by the microwave detector 11 frequency-specific electrical properties of the semiconductor layer 4 be recorded. The measured values recorded at the respective selected microwave frequencies ω can be stored and arbitrarily compared with one another, wherein measured values detected at a specific microwave frequency ω can be selected as comparison measured values.

Es ist möglich, durch eine Wahl verschiedener Mikrowellenfrequenzen ω eine Grenzfrequenz ωG = 1/(εε0ρ) zu ermitteln, für welche die Grenzbedingung 1/ω CH = RH gilt.It is possible, by choosing different microwave frequencies ω, to determine a limit frequency ω G = 1 / (εε 0 ρ) for which the boundary condition 1 / ω C H = R H holds.

Bei dieser Grenzfrequenz wird das lock-in Signal um 3 dB im Vergleich zur Messung bei wesentlich niedrigeren Frequenzen abgeschwächt. Wenn die Grenzfrequenz ωG für eine gegebene Probe und Messaufbau technisch nicht erreichbar ist, so kann die Grenzfrequenz durch Extrapolation der bei niedrigeren Frequenzen ermittelten Messdaten der Mikrowellentransmission mit Hilfe eines theoretischen Modells berechnet werden.At this cut-off frequency, the lock-in signal is attenuated by 3 dB compared to measurement at much lower frequencies. If the cut-off frequency ω G is not technically achievable for a given sample and measurement setup, the cut-off frequency can be calculated by extrapolation of the microwave transmission measurement data obtained at lower frequencies using a theoretical model.

Zur genaueren Bestimmung der Auswirkung des Probenhalters 1 auf die Messwerte und zur Verwendung im theoretischen Modell kann eine Anzahl von Referenzmesswerten mit einer metallischen Referenzprobe durchgeführt werden, deren Höhe gleich der Dicke von Substrat 3 und Halbleiterschicht 4 ist, bei der jedoch die Halbleiterschicht 4 nicht aufgebracht ist. In der in 3 abgebildeten Ersatzschaltung fehlt dann Halbleiterschicht 4, so dass der Blindwiderstand der Flussigkeitsschicht 6 unmittelbar aus Mikrowellentransmission bestimmt werden kann. Aus diesen Messungen wird die Kapazität CL mit systematisch veränderter Mikrowellenfrequenz ω erfasst und den jeweiligen Mikrowellenfrequenzen ω zugeordnet gespeichert.For more accurate determination of the effect of the sample holder 1 for the readings and for use in the theoretical model, a number of reference readings can be taken with a metallic reference sample equal in height to the thickness of the substrate 3 and semiconductor layer 4 is, but in which the semiconductor layer 4 is not applied. In the in 3 pictured equivalent circuit is then missing semiconductor layer 4 , so that the reactance of the Flussigkeitsschicht 6 can be determined directly from microwave transmission. From these measurements, the capacitance C L is detected with a systematically changed microwave frequency ω and stored in association with the respective microwave frequencies ω.

Anschließend wird das die Halbleiterschicht 4 tragende Substrat 3 in den Probenhalter 1 eingelegt und dieselbe Folge von Mikrowellenfrequenzen ω durchfahren, um die jeweiligen Messwerte zu erfassen und zu speichern.Subsequently, this becomes the semiconductor layer 4 carrying substrate 3 into the sample holder 1 inserted and the same sequence of microwave frequencies ω go through to capture the respective measured values and store.

Bei Einkopplung von Mikrowellen mit der Grenzfrequenz ωG werden dann Vergleichsmesswerte bei unterschiedlicher energetischer Beeinflussung der Halbleiterschicht 4 erfasst.When microwaves are coupled in with the cut-off frequency ω G , comparison measured values then become at different energetic influencing of the semiconductor layer 4 detected.

Das Messverfahren wurde mit folgenden Parametern implementiert: Messfrequenz 1–2 GHz, Schicht 1,5 μm CuInS2 auf Kupfer als Substrat, periodisch modulierte Lichtquelle war eine LED mit großer spektraler Bandbreite (weiß) oder rot (etwa 640 nm), beide im Absorptionsbereich des Halbleiters der Halbleiterschicht 4. Als dielektrische Flüssigkeit wurde deionisiertes Wasser verwendet. Die Taktfrequenz des Taktgenerators 12 (lock-in Frequenz) betrug 65–80 Hz. Beobachtet wurde ein großes lock-in-Signal bei der niedrigen Frequenz von 1 GHz und eine wesentliche Abnahme des lock-in Signalpegels bei einer Erhöhung der Mikrowellenfrequenz ω. Das lock-in Signal verschwand sofort bei der Unterbrechung des Lichtstrahls. The measuring method was implemented with the following parameters: measurement frequency 12 GHz, layer 1.5 microns CuInS 2 on copper as the substrate, periodically modulated light source was an LED having a large spectral bandwidth (white) or red (about 640 nm), both in the absorption range of the semiconductor of the semiconductor layer 4 , As the dielectric liquid, deionized water was used. The clock frequency of the clock generator 12 (lock-in frequency) was 65-80 Hz. It was observed a large lock-in signal at the low frequency of 1 GHz and a significant decrease in the lock-in signal level with an increase in the microwave frequency ω. The lock-in signal disappeared immediately upon the interruption of the light beam.

In der 3 ist die erfindungsgemäße Anordnung als stark schematisiertes Ersatzschaltbild gezeigt. Die Halbleiterschicht 4 ist durch seine elektrischen Größen Widerstand RH und Kapazität CH dargestellt, die im Sinne eines Schwingkreises angeordnet sind. Die Flüssigkeitsschicht 6 ist durch seine Kapazität CL gegeben.In the 3 the arrangement according to the invention is shown as a highly schematic equivalent circuit diagram. The semiconductor layer 4 is represented by its electrical variables resistance R H and capacitance C H , which are arranged in the sense of a resonant circuit. The liquid layer 6 is given by its capacity C L.

Von dem Mikrowellengenerator 10 in den ersten Abschnitt 2.1 des Streifenleiters 2 eingekoppelte Mikrowellen werden durch das von RH und CH gebildete RC-Glied frequenzabhängig abgeschwächt. Das RC-Glied ist kapazitiv über CL an den Probenträger 1 und den zweiten Abschnitt 2.2 gekoppelt. Durch den Mikrowellendetektor 11 sind die Mikrowellen an dem zweiten Abschnitt 2.2 erfassbar.From the microwave generator 10 in the first section 2.1 of the stripline 2 Coupled microwaves are frequency-dependent attenuated by the RC element formed by R H and C H. The RC element is capacitive via C L to the sample carrier 1 and the second section 2.2 coupled. Through the microwave detector 11 are the microwaves at the second section 2.2 detectable.

Die Erfindung kann auf den Gebieten der Messtechnik, der Charakterisierung von Halbleiterschichten, insbesondere bei der Entwicklung und Herstellung sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung von Dünnschichtsolarzellen und der Halbleitertechnik eingesetzt werden.The invention can be used in the fields of measurement technology, the characterization of semiconductor layers, in particular in the development and production as well as the quality control and assurance of thin-film solar cells and semiconductor technology.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Probenhaltersample holder
22
Streifenleitungstripline
2.12.1
erster Abschnittfirst section
2.22.2
zweiter Abschnittsecond part
2.32.3
Plattenelektrodeplate electrode
33
Substratsubstratum
44
HalbleiterschichtSemiconductor layer
55
Abstandshalterspacer
66
Flüssigkeitsschichtliquid layer
77
Trägercarrier
7.17.1
Beschichtungcoating
88th
Kontaktfußcontact foot
99
Strahlungsquelleradiation source
1010
Mikrowellengeneratormicrowave generator
1111
Mikrowellendetektormicrowave detector
1212
Taktgeneratorclock generator
1313
Lock-in-VerstärkerLock-in amplifier
1414
Anzeigedisplay
CL C L
Kapazität (der Flüssigkeitsschicht 6)Capacity (the liquid layer 6 )
CH C H
Kapazität (der Halbleiterschicht 4)Capacitance (of the semiconductor layer 4 )
RH R H
elektrischer Widerstand (der Halbleiterschicht 4)electrical resistance (of the semiconductor layer 4 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Sinton et al. (1996), Appl. Phys. Lett., 69: 2510–2512 [0004] Sinton et al. (1996) Appl. Phys. Lett., 69: 2510-2512 [0004]
  • van der Pauw (1958, Philips Research Reports. 13, Nr. 1, 5. 1–9) [0004] van der Pauw (1958, Philips Research Reports, 13, No. 1, 5. 1-9) [0004]

Claims (18)

Verfahren zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet und insofern durch das Substrat in lateraler Richtung elektrisch kurzgeschlossen ist, mit den Schritten: Kontaktieren des Substrats (3) mit einem ersten Abschnitt (2.1) einer planaren Mikrowellenleitung; Herstellen einer Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an einen zweiten Abschnitt (2.2) der planaren Mikrowellenleitung, wobei die Ankopplung über die nach oben weisende Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv erfolgt; Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) in den ersten Abschnitt (2.1) der planaren Mikrowellenleitung und Auskoppeln aus dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung; Erfassen mindestens eines Messwertes an der planaren Mikrowellenleitung während die Mikrowellen einer Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind; Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfasst wird.Method for measuring electrical properties of at least one semiconductor layer, which is located on an electrically conductive substrate and is thus electrically short-circuited in the lateral direction by the substrate, with the steps: contacting the substrate ( 3 ) with a first section ( 2.1 ) a planar microwave line; Producing a coupling of the semiconductor layer ( 4 ) to a second section ( 2.2 ) of the planar microwave line, wherein the coupling over the upwardly facing surface of the semiconductor layer ( 4 ) takes place capacitively; Coupling electromagnetic waves of a microwave frequency (ω) in the first section ( 2.1 ) of the planar microwave line and decoupling from the second section ( 2.2 ) of the microwave line; Detecting at least one measured value on the planar microwave line while the microwaves are coupled to a microwave frequency (ω); Comparing the measured value acquired at a microwave frequency (ω) with at least one subsequent comparison measured value, which is the result of an external energetic influencing of the semiconductor layer ( 4 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Ankopplung der Halbleiterschicht (4) an den zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung durch eine auf die Oberfläche der Halbleiterschicht (4) aufgebrachte Schicht [Flüssigkeitsschicht (6)] einer dielektrischen Flüssigkeit erfolgt, wobei die Schichtdicke der Flüssigkeitsschicht (6) konstant gehalten wird.Method according to Claim 1, characterized in that the capacitive coupling of the semiconductor layer ( 4 ) to the second section ( 2.2 ) of the microwave line through one on the surface of the semiconductor layer ( 4 ) applied layer [liquid layer ( 6 )] of a dielectric liquid, wherein the layer thickness of the liquid layer ( 6 ) is kept constant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischen Strahlung erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that the energetic influencing of the semiconductor layer ( 4 ) by irradiation with electromagnetic radiation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) durch eine Änderung der Temperatur der Halbleiterschicht (4) erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that the energetic influencing of the semiconductor layer ( 4 ) by a change in the temperature of the semiconductor layer ( 4 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Beeinflussung mittels Bestrahlung durch ein mit dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung verbundenes Kontaktierungselement der Flüssigkeitsschicht (6) hindurch erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the energetic influence by means of irradiation by a with the second section ( 2.2 ) of the microwave line connected contacting element of the liquid layer ( 6 ) through. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende zusätzliche Schritte erfolgen: – Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und keine Halbleiterschicht (4) vorhanden ist; – Erfassen mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und eine Halbleiterschicht (4) vorhanden ist.A method according to claim 1, characterized in that the following additional steps are carried out: - detecting at least one reference measured value at the second section ( 2.2 ) of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency (ω) are coupled and no semiconductor layer ( 4 ) is available; Detecting at least one measured value at the second section ( 2.2 ) of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency (ω) are coupled and a semiconductor layer ( 4 ) is available. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich aufeinanderfolgend elektromagnetische Wellen mit je einer Mikrowellenfrequenz (ω) aus einer gewählten Bandbreite von Mikrowellenfrequenzen (ω) in die Mikrowellenleitung eingekoppelt werden, bis eine Grenzfrequenz (ωG) gefunden ist, durch die ein vorbestimmtes Auswahlkriterium erfüllt ist.A method according to claim 6, characterized in that temporally successive electromagnetic waves, each having a microwave frequency (ω) from a selected range of microwave frequencies (ω) are coupled into the microwave line until a cutoff frequency (ω G ) is found, by a predetermined selection criterion is satisfied. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Auswahlkriterium in der Bestimmung der Grenzfrequenz ωG der Mikrowellen-Transmissionsfunktion besteht, die die Bedingung 1/ωG CH = RH erfüllt, wobei RH der elektrische Widerstand der Halbleiterschicht (4) und CH die bekannte Kapazität der Halbleiterschicht (4) sind.Method according to Claim 7, characterized in that the predetermined selection criterion consists in the determination of the cut-off frequency ω G of the microwave transmission function satisfying the condition 1 / ω G C H = R H , where R H is the electrical resistance of the semiconductor layer ( 4 ) And C H is the known capacitance of the semiconductor layer ( 4 ) are. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berücksichtigung des Probenträgers (1) einschließlich der Flüssigkeitsschicht (6) durch Auswertung der Referenzmesswerten erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that a consideration of the sample carrier ( 1 ) including the liquid layer ( 6 ) by evaluation of the reference measured values. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Eigenschaft der Halbleiterschicht (4) durch eine Änderung einer auf die Halbleiterschicht (4) aufgebrachten Energie beeinflusst wird, was zu einer erfassbaren Änderung der Grenz-Mikrowellenfrequenz (ωG) führt.Method according to claim 7 or 8, characterized in that at least one property of the semiconductor layer ( 4 ) by a change on the semiconductor layer ( 4 ), which results in a detectable change in the limit microwave frequency (ω G ). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Grenzfrequenz (ωG) mittels eines nach dem Lock-in-Prinzip arbeitenden Bauelements erfolgt.A method according to claim 10, characterized in that the change of the cut-off frequency (ω G ) by means of a lock-in-principle working component takes place. Anordnung zur Messung elektrischer Eigenschaften mindestens einer Halbleiterschicht, die sich auf einem elektrisch leitfähigen Substrat befindet, mit: – einer planaren Mikrowellenleitung, die in einen ersten Abschnitt (2.1) und einen zweiten Abschnitt (2.2) unterteilt ist, wobei der erste Abschnitt (2.1) und der zweite Abschnitt (2.2) voneinander separiert sind; – Mitteln zur elektrisch leitfähigen Kontaktierung des Substrats (3) durch den ersten Abschnitt (2.1); – Mitteln zur gesteuerten Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit mindestens einer Mikrowellenfrequenz (ω) und zur Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in den ersten Abschnitt (2.1) an einem Eingang der Mikrowellenleitung; – einem Kontaktierungselement zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen dem zweiten Abschnitt (2.2) und dem ersten Abschnitt (2.1) der Mikrowellenleitung, wobei das Kontaktierungselement mit der vom Substrat (3) abgewandten Oberfläche der Halbleiterschicht (4) kapazitiv kontaktierbar ist; – Mitteln zur Erfassung mindestens eines Messwertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) an einem Ausgang der Mikrowellenleitung; – Mittel zum Vergleichen des bei einer Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens einem nachfolgenden Vergleichsmesswert, der bei einer äußeren energetischen Beeinflussung der Halbleiterschicht (4) erfassbar ist.Arrangement for measuring electrical properties of at least one semiconductor layer, which is located on an electrically conductive substrate, comprising: a planar microwave line, which is arranged in a first section (FIG. 2.1 ) and a second section ( 2.2 ), the first section ( 2.1 ) and the second section ( 2.2 ) are separated from each other; - means for electrically conductive contacting of the substrate ( 3 ) through the first section ( 2.1 ); - means for the controlled generation of electromagnetic waves having at least one microwave frequency (ω) and for coupling the electromagnetic waves in the first section ( 2.1 ) at an input of the microwave line; A contacting element for producing an electrically conductive contact between the second section ( 2.2 ) and the first section ( 2.1 ) of the microwave line, wherein the contacting element with the substrate ( 3 ) facing away Surface of the semiconductor layer ( 4 ) is capacitively contactable; Means for detecting at least one measured value at the second section ( 2.2 ) at an output of the microwave line; Means for comparing the measured value acquired at a microwave frequency (ω) with at least one subsequent comparative measured value which, in the case of an external energetic influencing of the semiconductor layer ( 4 ) is detectable. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als planare Mikrowellenleitung eine Streifenleitung (2) vorhanden ist.Arrangement according to claim 12, characterized in that as a planar microwave line a stripline ( 2 ) is available. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur kapazitiven Kontaktierung der Halbleiterschicht (4) eine Flüssigkeitsschicht (6) einer dielektrischen Flüssigkeit vorgesehen ist.Arrangement according to claim 12, characterized in that for the capacitive contacting of the semiconductor layer ( 4 ) a liquid layer ( 6 ) is provided a dielectric liquid. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandshalter (5) zur Konstanthaltung der Dicke der Flüssigkeitsschicht (6) zwischen der Halbleiterschicht (4) und dem Kontaktierungselement vorhanden ist.Arrangement according to claim 14, characterized in that a spacer ( 5 ) for keeping constant the thickness of the liquid layer ( 6 ) between the semiconductor layer ( 4 ) and the contacting element is present. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Kontaktierungselement lösbare Mittel zur Druckerzeugung und Fixierung des Kontaktierungselements gegenüber dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung und gegenüber der Halbleiterschicht (4) angebracht sind.Arrangement according to claim 12, characterized in that on the contacting element releasable means for pressure generation and fixation of the contacting element relative to the second section ( 2.2 ) of the microwave line and with respect to the semiconductor layer ( 4 ) are mounted. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese weiterhin enhält: – Mittel zum Erfassen mindestens eines Referenzmesswertes an dem zweiten Abschnitt (2.2) der Mikrowellenleitung, während die elektromagnetischen Wellen der Mikrowellenfrequenz (ω) eingekoppelt sind und eine metallische Referenzprobe ohne Halbleiterschicht (4) vorhanden ist; und – Mittel zum Vergleichen des bei der Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Messwertes mit mindestens dem bei der Mikrowellenfrequenz (ω) erfassten Referenzmesswert.Arrangement according to claim 12, characterized in that it further comprises: - means for detecting at least one reference measured value at the second section ( 2.2 ) of the microwave line, while the electromagnetic waves of the microwave frequency (ω) are coupled and a metallic reference sample without semiconductor layer ( 4 ) is available; and - means for comparing the measured value acquired at the microwave frequency (ω) with at least the reference measured value detected at the microwave frequency (ω). Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleich des mindestens einen erfassten Messwertes und des mindestens einen erfassten Vergleichsmesswertes oder Referenzmesswertes wenigstens ein nach dem Lock-in-Prinzip arbeitendes Bauelement enthalten.Arrangement according to one of the preceding claims 12 to 17, characterized in that the means for comparing the at least one detected measured value and the at least one detected comparative measured value or reference measured value contain at least one element operating according to the lock-in principle.
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