Statische, transiente oder modulierte Lichterregung pro und contra

Die zeitaufgelöste oder frequenzmodulierte Oberflächen-Photospannungsspektroskopie (SPS) basiert auf einer zeitaufgelösten bzw. frequenzmodulierten Messung der spektralen Abhängigkeit der Oberflächen-Photospannung (SPV). Es handelt sich um ein leistungsstarkes, zerstörungsfreies und berührungsloses Charakterisierungsverfahren. Sie wird hauptsächlich zur Untersuchung der elektronischen Übergänge und optischen Eigenschaften von Volumenmaterialien, Dünnschichten und Heterostrukturen eingesetzt. Hohe Empfindlichkeit und die Möglichkeit von Messungen bei Raumtemperatur sind die wesentlichen Vorteile der SPV-Methode. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Vorbereitung eines Frontkontakts auf der untersuchten Probe erforderlich ist. Im Allgemeinen ist keine Vorbereitung der Probe für die Messung notwendig, was es ermöglicht, die Probe unter Betriebs- oder Prozessbedingungen in einem breiten Temperaturbereich und unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu untersuchen. Die Informationstiefe und damit die Möglichkeit, Volumeneigenschaften zu extrahieren, wird durch die Lichtdurchdringungstiefe und die Diffusionslänge begrenzt. Im Vergleich zu anderen spektroskopischen Methoden, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf optische Transmission, Deep-Level-Transient-Spektroskopie, Photolumineszenz oder Raman-Spektroskopie, ist die zeitaufgelöste/frequenzmodulierte SPS- oder SPV-Methode (feste Wellenlänge) schnell und unkompliziert und somit ein ideales Werkzeug für Entscheidungen zur Probenqualität in der Produktion. Wir unterscheiden zwischen drei verschiedenen Anregungsmodi, denen jedoch allen gemeinsam ist, dass der Relaxationsaspekt der Zustände in den Proben unter idealen Bedingungen aufgelöst wird.

Eine statische SPV-Messung reagiert empfindlich auf alle schnellen oder langsamen Prozesse, die zur räumlichen Trennung photogenerierter Ladungsträger führen. Die Probe wird beleuchtet, bis eine Sättigung des SPV-Signals beobachtet wird; danach wird das Licht ausgeschaltet. Die Messung 1) des statischen SPV-Signals und 2) der zeitaufgelösten Relaxationszeit liefert viele nützliche Informationen über den Zustand des Materials.

Eine SPV-Messung, die unter modulierter Beleuchtung in einer festen Kondensatoranordnung durchgeführt wird, reagiert sehr empfindlich auf kleine Änderungen im SPV-Signal. Und nur jene SPV-Signale, die der Modulationsfrequenz folgen können, tragen zum gemessenen Signal bei. Die Reaktion von Prozessen mit Relaxationszeiten, die viel länger sind als die Modulationsperiode, wird einfach herausgefiltert.

Die empfindlichste SPV-Messung, die durchgeführt werden kann, ist eine transiente Messung, bei der auf Beleuchtungsimpulse unterschiedlicher Impulsbreite eine zeitabhängige Messung des Abklingens des SPV-Signals folgt – auf diese Weise lassen sich Ladungstrennungsabstände im Nanometerbereich untersuchen. Dies ist besonders wichtig für oberflächen- oder tunnelungsdominierte Prozesse im Material.