19.03.2024

Vierzehn Parameter auf einen Streich: Neues Instrument für die Optoelektronik

Neue Methode liefert umfassende Charakterisierung von Halbleitern durch einen einzigen Messprozess.

Solarzellen, Transistoren, Detektoren, Sensoren und LEDs haben eine Gemeinsamkeit: Sie bestehen aus Halbleitermaterialien, deren Ladungsträger erst durch Bestrahlung mit Photonen freigesetzt werden. Die Photonen lösen Elektronen aus ihren Orbitalen heraus, die sich durch das Material bewegen, bis sie nach einer Zeit wieder eingefangen werden. Zeitgleich entstehen „Löcher“ an den Stellen, wo die Elektronen fehlen – diese Löcher verhalten sich wie positiv geladene Ladungsträger und sind für die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Anwendung ebenfalls wichtig. Das Verhalten der negativen wie positiven Ladungsträger in Halbleitern unterscheidet sich oft um Größenordnungen, von der Mobilität über die Diffusionslängen bis hin zur Lebenszeit. Bisher mussten die Parameter der Transporteigenschaften für jeden Ladungstyp extra ermittelt werden und erforderten darüber hinaus unterschiedliche Messmethoden.

Abb.: Die hellen Kugeln symbolisieren gebundene Ladungsträger im Material. Der...
Abb.: Die hellen Kugeln symbolisieren gebundene Ladungsträger (negative und positive) im Material. Der Lichtstrahl trennt diese Ladungen, die daraufhin im angelegten Magnetfeld auf unterschiedliche Weise abgelenkt werden.
Quelle: L. Canil, HZB

Artem Musiienko, Physiker am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie hat jetzt eine neue Methode entwickelt, die in einer Messung alle 14 Parameter der positiven wie negativen Ladungsträger erfassen kann. Dafür nutzt er ein Magnetfeld, das senkrecht durch die Probe dringt und eine konstante Lichtquelle für die Ladungstrennung. Die freigesetzten Ladungen wandern entlang eines elektrischen Felds und werden durch das Magnetfeld senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt, wobei ihre Masse, ihre Mobilität und weitere Eigenschaften eine Rolle spielen. Aus den Signalen und insbesondere auch den Differenzen zwischen den Signalen der unterschiedlichen Ladungsträger lassen sich insgesamt 14 verschiedene Eigenschaften ermitteln, zeigt Musiienko mit einem übersichtlichen System aus Gleichungen.

Damit bietet das „Constant Light-Induced Magneto-Transport“, kurz CLIMAT, genannte Verfahren mit einer einzigen Messung einen umfassenden Einblick in die komplizierten Mechanismen des Ladungstransports, sowohl der positiven wie der negativen Ladungsträger. „Wir können das nutzen, um neuartige Halbleitermaterialien viel schneller einzuschätzen, zum Beispiel auf ihre Eignung als Solarzellen oder für andere Anwendungen“, betont Musiienko.

Um die breite Anwendbarkeit zu demonstrieren, haben Forschungsteams am HZB, der Uni Potsdam und weiteren Einrichtungen in den USA, der Schweiz, England und der Ukraine insgesamt zwölf sehr unterschiedliche Halbleitermaterialien mit dieser Methode charakterisiert, darunter das klassische Silizium, Halogenid-Perowskit-Filme, organische Halbleiter wie Y6, Halbisolatoren, selbstorganisierte Monoschichten und Nanopartikel.

Die neue Methode gilt als bahnbrechend, urteilen Fachleute wie Vitaly Podzorov von der Rutgers University in den USA, der im Fachblatt „Nature Electronics“ die CLIMAT-Methode mit 15 von 16 Punkten bewertet hat. Insbesondere spart CLIMAT viele Arbeitsschritte, die bei den bisher üblichen Messungen anfallen und damit auch wertvolle Zeit. Anfang 2024 wurde die CLIMAT-Methode vom Europäischen Patentamt unter der Nummer EP23173681.0 zur Patentierung zugelassen. „Derzeit laufen Verhandlungen mit Unternehmen über die Lizenzierung unserer Methode“, sagt Musiienko. Das Ziel ist ein kompaktes Messgerät, etwa so groß wie ein Notebook.

HZB / RK

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen