Ontwikkeling van hoge gevoeligheidstechnieken in Fourier-transform infraroodspectroscopie van defecten in halfgeleiders

Groep: DiSC

Promotoren: Prof. Henk Vrielinck en Prof. Johan Lauwaert

Begeleiding: Dr. Samira Khelifi

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden: Halfgeleiders, defecten, Si, Ge, dunnefilmzonnecellen, infraroodspectroscopie.

Probleemstelling:

Recombinatie van ladingsdragers in halfgeleiders wordt in belangrijke mate beïnvloed door slechts kleine concentraties aan defecten, die diepe niveaus introduceren in de bandgap van de halfgeleider. Dit heeft zijn weerslag op de levensduur van de vrije ladingsdragers en zo ook op lekstromen in elektronische componenten of de efficiëntie van zonnecellen. In ternaire en quaternaire halfgeleiders die vaak gebruikt worden als absorber in dunnefilmzonnecellen, zijn de ondiepe donoren en acceptoren vaak ook intrinsieke defecten, maar hun structuur en de precieze ligging van hun defectniveaus zijn dikwijls nog onbekend. Experimenteel vaststellen welke concentraties (kwantificering) van welke types defecten (identificatie) er in halfgeleiders aanwezig zijn, is een belangrijk maar ook heel uitdagend probleem, zeker als defectconcentraties zeer laag zijn. Absorptiespectroscopie in het infrarood, waarmee karakteristieke vibraties van defecten in het midden-infrarood, en overgangen tussen de waterstofachtige energieniveaus van neutrale donoren en acceptoren in het verre infrarood kunnen worden gedetecteerd, is in principe uitermate geschikt voor identificatie en kwantificering van defecten in halfgeleiders, maar heeft slechts een beperkte gevoeligheid. Als lichtabsorptie in de halfgeleider waargenomen wordt via de veranderingen die ze teweegbrengt in een elektrische parameter, zoals de geleidbaarheid, capaciteit of fotovoltaïsche spanning, kan de gevoeligheid van de metingen aanzienlijk worden opgedreven. In dit thesisproject worden de gevoeligheidslimieten van "klassieke" optische transmissiemetingen met de modernste onderzoeksapparatuur onderzocht, en daarnaast ook de mogelijkheden van elektrische detectietechnieken, die de gevoeligheid nog aanzienlijk zouden moeten verhogen.

Doelstelling:

In dit onderzoek zullen eerst via ver-infraroodmetingen in transmissie op Si en Ge, ondiepe defectconcentraties gekwantificeerd worden om een schatting te verkrijgen van de gevoeligheidslimieten van deze techniek. De metingen zullen bij zeer lage temperatuur moeten gebeuren om vrije ladingsdragers op ondiepe defectniveaus in te vriezen. Daarna zullen op dezelfde samples de mogelijkheden van elektrische detectietechnieken voor optische absorptie worden onderzocht. De aandacht zal eerst uitgaan naar metingen van fotogeleidbaarheid (Photothermal Ionization Spectroscopy, PTIS) wat een bijzonder hoge gevoeligheid oplevert. Eens een werkende opstelling voor goed gekende defecten in Si en Ge is ontwikkeld, zullen de mogelijkheden ervan bij de studie van defecten in de absorberlaag van dunne-filmzonnecellen worden onderzocht.

Opmerkingen:

Dit thesisonderwerp kan ook opgenomen worden in het kader van de Educatieve Master Fysica en Sterrenkunde.

disc1

Ver infrarood optische absorptiespectrum van p-type (Ga-dotering) Ge, na een thermische behandeling bij 800°C, waardoor er ook een koperverontreiniging in het sample is geslopen. In het spectrum is het absorptielijnenspectrum van de Ga acceptor duidelijk zichtbaar (E < 12 meV), en kan (bovenop het multifononspectrum) bij 40 meV een elektronische transitie van het eerste Cu acceptorniveau worden herkend.