Ortsaufgelöste Lebensdauermessung an kristallinem Silizium mittels dynamischer Photolumineszenzmessungen

Die Re­kom­bi­na­ti­ons­le­bens­dau­er kris­talli­nen Si­li­zi­ums ist ei­ner der wich­tigs­ten Pa­ra­me­ter der Qua­li­täts­kon­trol­le in der So­lar­zel­len­pro­duk­ti­on. Be­son­ders für mul­tikris­talli­nes Si­li­zi­um ist die orts­auf­ge­lös­te In­for­ma­ti­on über die La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er in­te­res­sant, da die­ses Ma­te­ri­al ty­pi­scher­wei­se stark in­ho­mo­ge­ne Re­kom­bi­na­ti­ons­ei­gen­schaf­ten auf­weist. Für die schnel­le Un­ter­su­chung der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er eig­nen sich be­son­ders ka­me­ra­ba­sier­te Ver­fah­ren.

Wir prä­sen­tie­ren eine bild­ge­ben­de ka­lib­rie­rungs­freie Me­tho­de zur Lebens­dau­er­be­stim­mung un­ter Ver­wen­dung von Pho­to­lu­mi­nes­zenz­mes­sun­gen. Das dy­na­mi­sche Pho­to­lu­mi­nes­zenz-Le­bens­dau­er­ver­fah­ren (dy­na­mi­sche PL)1 wird durch die Un­ter­su­chung der Zeit­ab­hän­gig­keit der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te re­a­li­siert. Kürz­lich ha­ben wir das dy­na­mi­sche Inf­ra­rot-Le­bens­dau­er­ver­fah­ren (dy­na­mi­sche ILM) vor­ge­stellt². Für die dy­na­mi­sche PL ver­wen­den wir ei­nen ähn­li­chen An­satz un­ter Be­rück­sich­ti­gung der quad­ra­ti­schen Ab­hän­gig­keit des Pho­to­lu­mi­nes­zenz­sig­nals _PL von der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te ∆n: I_PL ~ ∆nN_dop + ∆n² wo­bei N_dop die Do­tie­rung des Si­li­zi­ums an­gibt. Der zwei­te Zu­sam­men­hang, wel­cher für die dy­na­mi­sche Aus­wer­tung be­nö­tigt wird, be­schreibt die Zeit­ab­hän­gig­keit der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te ∆ n im Wa­fer: d∆n(t)/dt = G - ∆n(t)/τ_eff mit der Ge­ne­ra­ti­ons­ra­te G und der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er τ_eff. Die Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te ∆n(t) ist in Abb. 21 zu­sam­men mit der Ge­ne­ra­ti­ons­ra­te G(t) für eine recht­eckför­mi­ge An­re­gung dar­ge­stellt.

Die La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er kann mit Hil­fe die­ser bei­den Glei­chun­gen ohne wei­te­re Kennt­nis von Ei­gen­schaf­ten des Wa­fers wie Do­tie­rung, Di­cke oder Re­flek­ti­vi­tät er­mit­telt wer­den. Der ein­fachs­te An­satz ist die Un­ter­su­chung des Ver­hält­nis­ses zwei­er Lu­mi­nes­zenzauf­nah­men, die zu ver­schie­de­nen Zei­ten des zeitab­hän­gi­gen Ver­lau­fes der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te nach Ein- oder Aus­schal­ten ei­ner An­re­gungs­quel­le auf­ge­nom­men wer­den. All­er­dings hängt die­ses ein­fa­che Ver­hält­nis zwei­er Pho­to­lu­mi­nes­zenzauf­nah­men für den spe­zi­el­len Fall des quad­ra­ti­schen Zu­sam­men­han­ges zwi­schen Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te und Lu­mi­nes­zenz­sig­nal von der Do­tie­rung und der Ge­ne­ra­ti­ons­ra­te ab. Aus die­sem Grund wer­den vier Pho­to­lu­mi­nes­zenzauf­nah­men in ei­nem neu­en Ver­hält­nis P = (Im₁-Im₃)/(Im₂-Im₄) be­rück­sich­tigt. Die­se vier Bil­der sind zu ver­schie­de­nen Zei­ten der recht­eckför­mi­gen An­re­gung G(t) auf­ge­nom­men wor­den, wel­che in Abb. 21 mar­kiert sind. Das neue Ver­hält­nis P hängt nur noch von der be­kann­ten In­teg­ra­ti­ons­zeit der Ka­me­ra und der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er ab. Da­her kann mit P ohne wei­te­re Kennt­nis von Ei­gen­schaf­ten des Wa­fers eine Le­bens­dau­erab­bil­dung er­zeugt wer­den. In Abb. 22 ist das Ver­hält­nis P in Ab­häng­rig­keit von der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er τ_eff ge­zeigt.

Eine ein­fa­che Skiz­ze un­se­res ex­pe­ri­men­tel­len Auf­baus zeigt Abb. 23. Wir ver­wen­den eine In­di­um-Gal­li­um-Ar­senid (In­GaAs) Ka­me­ra für die De­tek­ti­on der Lu­mi­nes­zen­ze­mis­si­on. Der zu un­ter­su­chen­de Wa­fer ist für die An­re­gung der Elekt­ron-Loch-Paa­re über ei­nem Leucht­di­o­de­nar­ray (LED, 850 nm) plat­ziert. In un­se­rem Auf­bau dient der Wa­fer selbst als Fil­ter für die an­re­gen­den Pho­to­nen. Zu­sätz­lich wird ein op­ti­scher Lang­pass­fil­ter vor dem Ka­me­ra­ob­jek­tiv ver­wen­det. Die Mo­du­la­ti­on der Licht­quel­le und die zeit­lich ge­nau ab­ges­timm­te Bild­auf­nah­me wer­den über syn­chro­ne Span­nungs­sig­na­le ei­nes Fre­quenz­ge­ne­ra­tors kon­trol­liert.

Ein Ver­gleich des dy­na­mi­schen PL Le­bens­dau­er­ver­fah­rens mit dem MW-PCD Le­bens­dau­er­ver­fah­ren („light-bi­a­sed mi­cro­wa­ve-de­tec­ted pho­to­con­duc­tan­ce-de­cay“) an­hand ei­ner Mes­sung ei­nes 10 × 10 cm² SiN_X-pas­si­vier­ten mul­tikris­talli­nen Si­li­zi­um Wa­fers ist in Abb. 24 dar­ge­stellt. Eine Li­ni­en­ana­ly­se ist durch wei­ße Ge­ra­den ge­kenn­zeich­net und in Abb. 24 (d) dar­ge­stellt. Wir be­obach­ten Ab­wei­chun­gen in Be­rei­chen nied­ri­ger Le­bens­dau­er zwi­schen der MW-PCD und der dy­na­mi­schen PL Le­bens­dau­erab­bil­dung. Die­se Un­ter­schie­de wer­den durch La­dungs­trä­ger­dif­fu­si­on und in­ter­ne Re­flek­ti­o­nen von Lu­mi­nes­zenz­pho­to­nen aus Be­rei­chen ho­her Lu­mi­nes­zen­ze­mis­si­on in Be­rei­che nied­ri­ger Lu­mi­nes­zen­ze­mis­si­on ver­ur­sacht. Die­ser Ef­fekt hat ei­nen grö­ße­ren Ein­fluss auf die dy­na­mi­sche Aus­wer­tung als auf eine Auf­nah­me der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te im sta­ti­schen Zu­stand. Aus die­sem Grund ka­lib­rie­ren wir die Auf­nah­me vom sta­ti­schen Zu­stand der Über­schuss­la­dungs­trä­ger­dich­te (zwei­te Auf­nah­me in Abb. 21) mit der dy­na­mi­schen PL Le­bens­dau­erab­bil­dung in ei­nem Be­reich ho­her Le­bens­dau­er³. In Abb. 24 (c) se­hen wir das Er­geb­nis die­ser dy­na­misch ka­lib­rier­ten Le­bens­dau­erab­bil­dung und die gute Über­ein­stim­mung mit der MW-PCD Le­bens­dau­erab­bil­dung.

Die hier­mit ein­ge­führ­te ka­lib­rie­rungs­freie Me­tho­de zur orts­auf­ge­lös­ten Best­im­mung der La­dungs­trä­ger­le­bens­dau­er mit­tels Pho­to­lu­mi­nes­zenz­mes­sun­gen er­laubt eine schnel­le Un­ter­su­chung der elekt­ri­schen Qua­li­tät von Si­li­zi­um Wa­fern ohne vor­he­ri­ge Kennt­nis von Di­cke, Re­flek­ti­vi­tät oder Do­tier­kon­zen­tra­ti­on des Wa­fers.