Lichtinduzierter Ladungseinfang

Die Beleuchtungsexperimente werden meist an beidseitig passvierten FZ-Substraten nach Tempern durchgeführt. Die Al₂O₃-Schichten sind bei 300°C auf HF-gedippten Oberflächen abgeschieden worden und haben meist eine Dicke von etwa 26 nm. Die Be-leuchtung erfolgt beidseitig, um die symmetrische Probenpräparation zu gewährleisten.

Abb. 3.27(a) zeigt die effektiven Ladungsträgerlebensdauern bei einem Injektionslevel von 1×10¹⁵cm^-3 in Abhängigkeit der Beleuchtungsdauer pro Seite für die Beleuchtun-gen mit verschiedenen LEDs, aber gleichem Photonenfluss von 5,7×10¹⁵s^-1cm^-2. Der mit

„Start“ indizierte Wert bezeichnet die Lebensdauer nach Tempern und vor Beleuchtung.

Zu diesem Zeitpunkt weisen alle Proben ähnliche Werte der effektiven Ladungsträger-lebensdauer um 1 ms auf. Während des Beleuchtungsvorgangs wird ein unterschiedli-ches Verhalten sichtbar: Licht einer Wellenlänge von 420 nm oder geringer ruft einen systematischen Anstieg der Lebensdauer hervor. Bei 465 nm ist ebenfalls nach langen Beleuchtungszeiten von mehr als 16 Stunden ein sehr geringfügiger Anstieg erkennbar.

Für größere Wellenlängen bleiben die Lebensdauern konstant. Das Anstiegsverhalten weist sättigenden Charakter auf, wobei die Dauer bis zur Sättigung von der Wellenlän-ge, d.h. der Photonenenergie, abhängt. Für 365 nm-Licht ist die Sättigung schon nach etwa 10 min erreicht.

Abb. 3.27(b) zeigt das Verhalten der effektiven Lebensdauern ohne Beleuchtung nach dem Beleuchtungsvorgang. Diese Proben sind aus einer anderen Messreihe und besitzen geringfügig andere Werte. Analog zu Abb. 3.27(a) bezeichnet „Start“ den Zeitpunkt vor Beleuchtung. Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Beleuchtung abgeschlossen. Die

Repro-76 KAPITEL 3. AL₂O₃-EINZELSCHICHTEN

Abbildung 3.28 – Ortsaufgelöste Photolumineszenz-Messungen eines etwa 22 cm² großen Substrates: (a) vor Beleuchtung; (b) nach anschließender einseitiger Beleuchtung auf Oberseite;

(c) nach weiterer einseitiger Beleuchtung auf Unterseite. Beleuchtungsbedingungen: 400 nm, Photonenfluss: 5,7×10¹⁵s^-1cm^-2. Die Messungen erfolgten unter identischen Messbedingungen, und die Intensitätswerte sind vergleichbar.

duzierbarkeit der wellenlängenabhängigen Veränderung der Lebensdauer durch den Be-leuchtungsvorgang kann klar gezeigt werden. Nach Beleuchtung wird, insbesondere bei der mit 365 nm-Licht beleuchteten Probe, ein geringfügiges Absinken der Lebensdauer deutlich, welches ein sättigendes Verhalten aufweist. Der Wert in Sättigung liegt jedoch signifikant oberhalb des Wertes vor Beleuchtung. Daher ist der Effekt der Beleuchtung zeitlich stabil. Dieses Verhalten ist in Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus [113].

Konträr dazu zeigen veröffentlichte Ergebnisse von Liao et al. ein Absinken der effektiven Ladungsträgerlebensdauer auf den ursprünglichen Wert [140]. Ein wesentlicher Unter-schied der Schichten der verUnter-schiedenen Arbeiten besteht darin, dass die Schichten von Liao et al. mit thermischer ALD und von Dingemans et al. sowie in der vorliegenden Arbeit mit Plasma-ALD gewachsen wurden.

Die laterale Homogenität der Beleuchtung kann mit PL-Messungen getestet werden.

Abb. 3.28 zeigt PL-Messungen eines etwa 22 cm² großen Substrates: vor Beleuchtung, nach anschließender einseitigen Beleuchtung auf der Oberseite, nach weiterer einseitiger Beleuchtung auf der Unterseite. Beleuchtet wurde jeweils 15 Minuten mit 400 nm-Licht und einem Photonenfluss von 5,7×10¹⁵s^-1cm^-2. Die Messungen erfolgten statisch mit einer Belichtungszeit von 2 s unter gleichen Bedingungen. Daher sind die Werte der Zählraten vergleichbar. Es ist ein signifikanter Anstieg der Zählrate und damit der ef-fektiven Ladungsträgerlebensdauer sowohl beim ersten als auch beim zweiten Beleuch-tungsvorgang zu verzeichnen. Dies bestätigt die Ergebnisse einer durch Beleuchtung hervorgerufenen erhöhten Ladungsträgerlebensdauer aus Photoleitfähigkeitsmessungen.

Der Anstieg erfolgt relativ homogen auf der Probe. Weiterhin ist in dieser Bildfolge eine Zunahme der punktuell schlechten Bereiche erkennbar, was auf eine zunehmende Schä-digung der Schicht durch die Vakuumansaugung während der Beleuchtung oder durch das Verschieben der Probe auf dem PL-Probentisch erklärbar ist.

Aufgrund der zeitlichen Stabilität und der lateralen Homogenität des Beleuchtungseffek-tes sind die Präparation von MIS-Strukturen und anschließende CV-Messungen sinnvoll,

3.3. LADUNGSEINFANG DURCH LICHT 77 Seff,LED - Seff,0 [cm/s]

B e l e u c h t u n g s z e i t p r o S e i t e [ m i n ]

Abbildung 3.29– (a) Änderung der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten bei einem Injektionelevel von 1×10¹⁵cm^-3 infolge der Beleuchtung mit 400 und 630 nm LED-Licht; (b) Dichte fester Ladungen.

um die Ursache der Lebensdauererhöhung zu untersuchen. Dazu wurden identisch be-schichtete, beidseitig passivierte Substrate unterschiedlich lange mit verschiedenen LEDs beleuchtet und die effektiven Ladungsträgerlebensdauernτ_eff,0 und τ_eff,LED vor und nach Beleuchtung bestimmt. Daraus kann die Änderung der effektiven Oberflächenrekombi-nationsgeschwindigkeit bestimmt werden mit:

Der Vorteil dieser Darstellung gegenüber den tatsächlichen effektiven Oberflächenrekom-binationsgeschwindigkeiten liegt einerseits darin, dass keine Annahme über die Lebens-dauern der Ladungsträger im Volumen getroffen werden muss. Andererseits können die Schwankungen der Lebensdauern zwischen den einzelnen Proben vor Beleuchtung in die Berechnung einbezogen werden. Anschließend wurden Metallkontakte zur Präparation aufgedampft und der ohmsche Rückkontakt durch LFCs realisiert. Die CV-Messungen erfolgten bei einer Frequenz von 100 kHz an mindestens fünf identisch prozessierten Kontakten mit einer Fläche von 1,8 mm² auf jeder Probe. Abb. 3.29(a) zeigt die Än-derung der effektiven Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten bei einem Injekti-onslevel von 1×10¹⁵cm^-3 in Abhängigkeit der Beleuchtungszeit für 400 nm und 630 nm LED-Licht bei gleichem Photonenfluss. Für die unbeleuchtete Probe wie auch für die Beleuchtung mit rotem Licht ist eine leichte Erhöhung von S_eff zu verzeichnen, die auf eine minimale Beschädigung der Schicht während des Transports oder des Auflegens auf die Messapparaturen zurückgeführt werden kann. Das rote Licht hat keine Auswir-kungen auf die Lebensdauer und S_eff. Bei der Beleuchtung mit 400 nm LED-Licht ist eine signifikante Reduktion von S_eff durch das Licht analog zu den oben beschriebenen Experimenten erkennbar. In Abb. 3.29(b) sind die aus CV-Messungen nach Gl. (2.41) extrahierten Flächendichten der Ladung in der Schicht dargestellt. Für die

Austritts-78 KAPITEL 3. AL₂O₃-EINZELSCHICHTEN arbeit von Aluminium auf Al₂O₃-Schichten wird ein Wert von 4,8 eV verwendet (siehe Kapitel 3.2.3). Es ist erkennbar, dass durch die Beleuchtung mit 400 nm Licht die Dichte negativer Ladungen in der Al₂O₃-Schicht zunimmt, während sie unter Beleuchtung mit 630 nm Licht konstant bleibt. Die Fehlerbalken indizieren den maximal bzw. minimal ge-messenen Wert. Die Zunahme der Lebensdauer infolge der Beleuchtung kann daher mit einer Zunahme der Passivierung aufgrund einer Erhöhung der Dichte negativer fester Ladungen durch das Licht erklärt werden. Die mit CV-Messungen detektierte, erhöhte Dichte negativer Ladungen infolge der Beleuchtung demonstriert, dass dieser Effekt des Beleuchtens durch den Bedampfungsschritt mit Aluminium zur Herstellung der MIS-Struktur nicht aufgehoben wird.

Da die Al₂O₃-Schicht das Licht in dem gesamten hier untersuchten Spektralbereich von 350 bis 700 nm vollständig transmittiert (vgl. Abb. 2.1), ist es unwahrscheinlich, dass der für die Erhöhung der Dichte negativer Ladungen verantwortliche Mechanismus in Zusammenhang mit einer Absorption des Lichts durch die Schicht steht. Vielmehr ist die Ursache in der Anregung von Elektron-Loch-Paaren im Siliziumsubstrat zu suchen.

Als Mechanismus für die Erhöhung der Ladungsdichte in der Schicht ist das Tunneln von Elektronen aus dem Siliziumsubstrat in Störstellenniveaus der Schicht in Betracht zu ziehen. Das Licht könnte durch eine Generation von Elektronen an der Si/Al₂O₃ -Grenzfläche die Tunnelwahrscheinlichkeit aufgrund einer erhöhten Elektronendichte ver-größern. Bei gleichem Photonenfluss generiert kurzwelligeres Licht mehr Ladungsträger an der Grenzfläche. Als Test zu Verifizierung oder Falsifizierung der Hypothese des Tunnelns von Elektronen aufgrund erhöhter Konzentration dient ein Experiment mit stark erhöhtem Photonenfluss rotem LED-Lichtes. Das Licht wird über eine Platte mit 100 roten LEDs auf einer Fläche von 5×5 cm² erzeugt. Diese LEDs haben das Inten-sitätsmaximum bei einer Wellenlänge von 640 nm und sind daher zu dem Spektrum Hochleistungs-LED mit 630 nm als Intensitätsmaximum vergleichbar. Durch die im Ver-gleich zu der einen Hochleistungs-LED homogenere Ausleuchtung können diese LEDs sehr nahe an die Probenoberfläche geführt werden. Dadurch sind Photonenflüsse von bis zu 7×10¹⁷s^-1cm^-2möglich. Um die Elektronendichte im Silizium während der statischen Beleuchtung zu bestimmen, werden PC1D-Simulationen benutzt. Als wichtige Parame-ter für das Substrat werden verwendet: p-Typ Silizium, spezifischer Widerstand: 2 Wcm (N_A= 7,2×10¹⁵cm^-3), Dicke: 230 µm, Volumenlebensdauer der Ladungsträger in Niedri-ginjektion: 10 ms. Als Flächendichte fester Ladungen wird -2×10¹²cm^-2verwendet (siehe Abb. 3.29(b)). Um die Generation von Ladungsträgern korrekt zu simulieren, werden so-wohl die verschiedenen LED-Spektren als auch das gemessene Reflexionsspektrum einer identisch prozessierten Probe berücksichtigt. Abb. 3.30 zeigt simulierte, tiefenaufgelös-te Generationsratiefenaufgelös-ten und Elektronenkonzentrationen während der statischen Beleuch-tung mit 400 bzw. 640 nm LED-Licht für die Photonenflüsse von 5,7×10¹⁵s^-1cm^-2 bzw.

7,0×10¹⁷s^-1cm^-2. Durch die unterschiedlichen Wellenlängen verlaufen die Generations-profile unterschiedlich tief in das Substrat. Die Elektronendichten werden aufgrund der negativen Flächenladungen an den Oberflächen geringer. Die an exakt den Oberflächen

3.3. LADUNGSEINFANG DURCH LICHT 79

Abstand von der Frontseite [µm]

1 0 ^{1 2}

Abbildung 3.30 – Simulierte tiefenaufgelöste Profile von Generationsrate und Elektronen-konzentration während einer stationären Beleuchtung von beidseitig mit Al₂O₃passivierten Si-liziumsubstraten für die Fälle einer Beleuchtung mit 400 nm bzw. 640 nm LED-Licht und Pho-tonenflüssen von 5,7×10¹⁵s^-1cm^-2 bzw. 7×10¹⁷s^-1cm^-2. Die Simulationen wurden mit PC1D erstellt.

der beleuchteten Seite ermittelten Elektronendichten sind in Tab. 3.4 für die beiden Fälle aufgeführt. Die Simulation demonstriert, dass die Elektronendichte an der Ober-fläche für das 640 nm LED-Licht signifikant größer ist als für den Fall der Beleuchtung mit 400 nm. Lebensdaueruntersuchungen einer beidseitig passivierten und beidseitig mit 640 nm Licht und einem Photonenfluss von 7,0×10¹⁷s^-1cm^-2 für 20 Stunden pro Seite beleuchteten Probe zeigt keine Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer und weist auf keine Erhöhung der Dichte negativer Ladung in der Schicht hin. Dies schließt die Erhö-hung der Elektronenkonzentration an der Si/Al₂O₃-Grenzfläche infolge der Beleuchtung als alleinige Ursache für die Erhöhung der Dichte negativer fester Ladungen in der Schicht aus.

Eine andere Möglichkeit, Elektronen aus dem Silizium in die Al₂O₃-Schicht zu emittie-ren, besteht in der Photoemission. Dabei werden Elektronen durch eintreffende Photonen aus dem Leitungsband (n-Typ) oder Valenzband (p-Typ) energetisch über die

Barrie-Tabelle 3.4 – Elektronendichten an den Oberflächen der beleuchteten Seite für die beiden Fälle der Beleuchtung mit 400 und 640 nm LED-Licht.

Peakwellenlänge [nm] Photonenfluss [s^-1cm^-2] Elektronendichte [cm^-3]

400 5,7×10¹⁵ 6,2×10¹¹

640 7,0×10¹⁷ 3,2×10¹³

80 KAPITEL 3. AL₂O₃-EINZELSCHICHTEN

Abbildung 3.31– (a) Prinzip von IPE-Messungen zur Bestimmung von Barrierenhöhen zwi-schen dem Valenzband eines p-Typ Halbleiters und dem Leitungsband eines Isolators; (b) IPE-Spektrum einer 15 nm dünnen, analog zu den Beleuchtungsexperimenten präparierten Al₂O₃-Schicht. Die blaue und rote Gerade kennzeichnet die Extrapolationen der Bereiche un-terhalb und oberhalb der Schwellenenergie zur energetischen Anregung von Elektronen über die Si/Al₂O₃-Barriere.

re an der Si/Al₂O₃-Grenzfläche in das Leitungsband der Al₂O₃-Schicht gehoben. Von dort könnten sie von Defekten in der Schicht eingefangen werden und als feste negative Ladungsträger zur Verfügung stehen. Dieser Mechanismus könnte die Abhängigkeit der Lebensdauererhöhung von der Photonenenergie erklären. Ist diese Energie zu gering, um die Elektronen über die Barriere zu heben, findet kein Einfang und somit keine Erhöhung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer statt. Eine Möglichkeit zur Bestimmung von Halbleiter/Isolator-Barrierenhöhen bietet die interne Photoemissions- (IPE) Messung.

Dabei wird eine MIS-Struktur mit einem dünnen, semitransparenten Frontseitenmetall-kontakt präpariert. Diese MIS-Struktur wird an diesem Kontakt positiv vorgespannt.

Mit einer Lichtquelle und einem Monochromator wird Licht verschiedener Wellenlängen durch den semitransparenten Metallfilm in das Siliziumsubstrat eingekoppelt, und es werden dort Elektron-Loch-Paare generiert. Dabei wird das Elektron in Abhängigkeit der Photonenenergie energetisch unterschiedlich hoch gehoben. Reicht die Photonen-energie aus, um das Elektron über die Halbleiter/Isolator-Barriere zu heben, gelangt es zur Metallelektrode und wird als Photostrom detektiert (vgl. Abb. 3.31(a)). Es wird der durch das Licht und die Vorspannung erzeugte Photostrom in Abhängigkeit der Photonenenergie gemessen. Üblicherweise wird zur Auswertung von IPE-Spektren die Quantenausbeute Y_IPE anstelle des Photostroms I_IPE verwendet. Beide Größen stehen in Zusammenhang [141]:

I_IPE(hν) = q·Y_IPE(hν)·Φ˜_IPE(hν), (3.20) wobei ˜Φ_IPE der eingestrahlte Photonenfluss und hν die Photonenenergie darstellen. Im Falle eines p-Typ Halbleiter/Isolator-Übergangs gilt für die Abhängigkeit Y_IPE(hν) für

3.3. LADUNGSEINFANG DURCH LICHT 81 Photonenenergien oberhalb der Barrierenhöhe Φ_V,Al

2O₃/Si (vgl. Abb. 3.22) der Zusam-menhang [141–143]:

Y_IPE(hν) =A^∗(hν)^hhν−Φ_V,Al

2O₃/Si

i3

. (3.21)

Die GrößeA^∗(hν) beschreibt den Teil der Absorption im Siliziumsubstrat, welcher Elek-tronen über die energetische Barriere hebt. Wäre diese Funktion konstant, könnte die Barrierenhöhe durch Auftragen von Y_IPE^1/3 über hν bestimmt werden. Da bisherige Ver-suche zur Quantifizierung dieser Funktion nicht ausreichend erfolgreich waren [93], wird versucht, ihren Anstieg im gemessenen Spektralbereich durch entsprechende Proben-präparationen zu minimieren. Zu den Maßnahmen hierfür zählen beispielsweise die Ver-wendung dünner Isolatorschichten (d_ox <100 nm) [93, 141]. Die für diese Messung ver-wendeten Al₂O₃-Schichten haben eine Dicke von 15 nm. Die IPE-Messung wurde an der Katholieke Universiteit Leuven durchgeführt. Als semitransparente Frontelektrode diente eine thermisch aufgedampfte, 12 nm dünne Goldschicht. Die angelegte Spannung betrug 2 V. Abb. 3.31(b) zeigt das Y_IPE^1/3-Spektrum dieser MIS-Struktur. Die bei etwa 3 eV ansteigende Quantenausbeute wird durch Elektronen erzeugt, die über die Barrie-re gehoben werden. Der leichte Anstieg im BeBarrie-reich niedrigeBarrie-rer Energien entsteht ver-mutlich durch Elektronen, die in Störstellenniveaus in der Al₂O₃-Schicht unterhalb der Leitungsbandkante gefangen werden und dann durch thermische oder feld-stimulierte Ionisation in das Leitungsband des Al₂O₃ gelangen [141]. Da die exakte Energieabhän-gigkeit dieses Prozesses nicht bekannt und der Anstieg des Y_IPE^1/3-Spektrums in diesem Bereich vergleichsweise gering ist, erweist sich eine lineare Extrapolation (blaue Gerade in Abb. 3.31(b)) dieses Bereiches als adäquat [93]. In der Annahme einer konstanten Absorption A^∗ kann der Energiebereich zur Überwindung der Barriere in Abb. 3.31(b) nach Gl. (3.21) durch eine Gerade beschrieben werden (rote Linie). Die Abweichung von der Geraden im hochenergetischen Bereich können durch direkte optische Übergänge im Siliziumkristall erklärt werden [126]. Der Schnittpunkt beider Geraden stellt die durch den Schottky-Effekt [144] verminderte Barrierenhöhe von 3,08 eV dar. Bei der in diesem Experiment angelegten Spannung von 2 V beträgt die Verminderung der Barrierenhöhe durch den Schottky-Effekt etwa 0,13 V [93], sodass der energetische Abstand zwischen der Valenzbandkante von Silizium und Leitungsbandkante von Al₂O₃ (3,2±0,2) eV ent-spricht. Dieser Wert liegt nahe an dem Wert von 3,25 eV von mit thermischer ALD gewachsenen Al₂O₃-Schichten auf p-Typ Silizium [126]. Abb. 3.32 zeigt die normierte Lichtintensität der LEDs über der Photonenenergie. Die schraffierte Fläche kennzeich-net den Bereich der aus IPE-Messungen ermittelten Si/Al₂O₃-Barrierenhöhe. Wird dies mit den wellenlängenabhängigen Lebensdaueruntersuchungen aus Abb. 3.27(a) vergli-chen, ist erkennbar, dass die Beleuchtung mit genau denjenigen LEDs, deren Spektrum einen Anteil in dem Bereich der ermittelten Barrierenhöhen besitzen, zu einer Erhöhung der effektiven Ladungsträgerlebensdauern infolge erhöhter Dichte negativer Ladungen führt. Dies weist auf eine Photoemission von Elektronen aus dem Valenzband von

Si-82 KAPITEL 3. AL₂O₃-EINZELSCHICHTEN

1 , 8 2 , 0 2 , 2 2 , 4 2 , 6 2 , 8 3 , 0 3 , 2 3 , 4 3 , 6

0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 , 0

M a x i m a : 3 6 5 n m 4 0 0 n m 4 2 0 n m 4 6 5 n m 5 1 5 n m 5 9 5 n m 6 3 0 n m

E n e r g i e [ e V ]

Normierte Intensität

Abbildung 3.32 – Normierte Spektren der LEDs, aufgetragen über der Photonenenergie.

Der schraffierte Bereich kennzeichnet das durch die IPE-Messung bestimmte Intervall für die Barrierenhöhe zwischen der Valenzbandkante von Silizium und der Leitungsbandkante von Al₂O₃.

lizium in das Leitungsband der Al₂O₃-Schicht hin. Anschließend könnten die emittier-ten Elektronen in Störstellenniveaus in der Al₂O₃-Schicht oder an den Si/Al₂O₃- bzw.

Al₂O₃/Luft-Grenzflächen gefangen werden [145, 146] und als zusätzliche feste negati-ve Ladungen wirken. Eine sich ausschließlich an der Al₂O₃/Luft-Grenzfläche befinden-de injizierte Flächenladung kann hierbei ausgeschlossen werbefinden-den, da sich diese Ladung nach Metallisierung an der Al₂O₃/Al-Grenzfläche befindet und folglich in CV-Messungen nicht sichtbar ist (vgl. Gl. (2.39)).

Die Ergebnisse in der vorliegenden Arbeit sind in Übereinstimmung mit denen von Hezel et al. [147], die eine Erhöhung der Dichte negativer Ladungen infolge einer Beleuchtung mit CV-Messungen nachgewiesen und eine Photoemission von Elektronen aus dem Si-liziumvolumen vermutet haben. Diese Vermutung wird durch Frequenzverdopplungs-(SHG-) Experimente gestützt. Dort wurde die Energie anregender Photonen aus einem Laser variiert. Bei Überschreitung einer Photonenenergie von 1,54 eV konnte ein Über-gang zwischen einer Dreiphotonenabsorption zu einer Zweiphotonenabsorption festge-stellt werden [145, 148]. Die absorbierte Energie von 3,08 eV für den Zweiphotonenpro-zess an diesem Übergang entspricht gerade der Barrierenhöhe für die Elektronen an der Si/Al₂O₃-Grenzfläche.

Der Effekt des Elektroneneinfangs in Al₂O₃-Schichten infolge einer Beleuchtung mit hochenergetischem Licht tritt auch bei anderen ALD-Abscheidetemperaturen auf [149].

3.3. LADUNGSEINFANG DURCH LICHT 83