Ziel
Die Charakterisierung von Volumenpolarisationsphänomenen wie dem Volumen-Photovoltaik-Effekt (BPVE) in Halbleitern erfordert die Herstellung von zwei elektrischen Kontakten an der Probe, was zwangsläufig zusätzliche Defekte an der Halbleiter-Metall-Grenzfläche verursacht, was insbesondere bei Halbleitern mit extrem großer Bandlücke und hohem spezifischen Widerstand eine Herausforderung darstellt.
Lösung
Die Oberflächen-Photospannungsspektroskopie (SPV) unter Verwendung einer Kelvin-Sonde wird als zerstörungsfreie, berührungslose Methode zur Charakterisierung der Änderung der Kontaktpotentialdifferenz (DCPD) in kohlenstoffdotierten GaN-Einkristallen eingesetzt. Durch die Entwicklung eines einzigartigen Aufbaus, der DCPD-Messungen bis zu ± 200 V ermöglicht, konnten große Photospannungen detektiert werden, ohne dass elektrische Kontakte aufgebracht werden mussten.
Anwendungsbeispiel
Die Bandlücke von GaN beträgt 3,4 eV. Als Beispiel zeigt Abbildung 1 ein DCPD-Spektrum für einen kohlenstoffdotierten GaN-Kristall (GaN:C). Das entsprechende SPV-Signal erreichte bei 3 eV mehr als 13 V, d. h., bei Anregung bestimmter Defektzustände waren die SPV-Signale viel größer als aufgrund der Bandlücke zu erwarten war (weitere Details siehe [1]). In der Nähe der Bandlücke wurden eine Änderung der Richtung des DCPD und eine Signatur in der Ableitung festgestellt. Bei Anregung mit einer Laserdiode (445 nm) mit höherer Intensität wurde das maximale Signal für GaN:C mit einer Kohlenstoffkonzentration von 9×1018 cm-3 erhalten und betrug etwa 23 V, was die Bandlücke bei weitem überstieg (Abbildung 2).
![Fig.1: Spectra of DCPD and its deriva-tive for a GaN:C crystal. SPV signals are much larger than the band gap for excita-tion in the defect range (data after [1]).](/fileadmin/_processed_/2/7/csm_spectra_spv_bd873424b5.png)
Fig.1: Spectra of DCPD and its deriva-tive for a GaN:C crystal. SPV signals are much larger than the band gap for excita-tion in the defect range (data after [1]).
Fig. 2: Time dependence of DCPD of a GaN:C crystal measured during illumination with a laser diode at 445 nm and after switching off illumination.
Referenzen
[1] Levine, I. et al. „Bulk-Photovoltaikeffekt in mit Kohlenstoff dotiertem Galliumnitrid, nachgewiesen durch Spektroskopie der anomalen Oberflächen-Photospannung.“ Phys. Rev. B 101 (2020) 245205.
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