Institut Silizium-Photovoltaik

Constant Final State Yield Spektroskopie

für die Photo­elektronen­spektroskopie an amorphem Silizium

Grundlagen

Im Gegensatz zu Isolatoren und kristallinen Halbleitern besitzt amorphes Silizium auch in der Bandlücke, d.h. oberhalb der Valenzbandkante, noch elektronische Zustände, die durch die Verspannung des amorphen Netzwerks und das Aufbrechen von Si-Si Bindungen entstehen. Mit Zustandsdichten unter 10²⁰  eV^-1cm^-3 (im Vergleich zu >10²¹ eV^-1cm^-3 im Valenzband) fallen sie unter die Nachweisgrenze der konventionellen UPS-Spektroskopie. Mit Hilfe der Constant-Final-State-Yield-Spektroskopie (CFSYS) [1-3] sind diese Zustandsdichten noch messbar. Bei der CFSYS ist die Energie der eingestrahlten Photonen E_phot die Variable, die kine­tische Energie E_kin, bei der der Analysator die emittierten Elektronen detektiert, dagegen die feste Größe. E_kin wird so gewählt, dass die Elektronen detektiert werden, die gerade die Austrittsarbeits-Barriere Φ_Probe von der Probe in den Außenraum überwinden können.

Messaufbau

Um E_phot zu variieren, wird eine Xe-Hochdrucklampe mit Doppel­monochromator benutzt, die eine ausreichende Helligkeit (Photonen­fluss), bis ca. 7 eV (UV), liefert. Damit liegt das von der CFSY-Spektroskopie erreichbare Energieintervall von der Fermikante (E_bind=0) bis (E_bind=−7eV−F_Probe) bei ca. −3,5 eV, d.h. nur Zustände in der Band­lücke (a-Si:H: E_gap~1,7 eV) und im bandkantennahen Valenz­band sind der Messung zugänglich.

Vorteil

Der Vorteil dieser Spektroskopie liegt nun in der vergleichsweise großen Informationstiefe, d.h. der maximalen Generationstiefe des Photoelektrons, bei der dieses noch die Probenoberfläche erreichen und die Probe verlassen kann, um im Analysator detektiert zu werden. Bei Energien der Photoelektronen von 4-7 eV ist die für diese Informationstiefe wesentliche mittlere freie Weglänge der Elektronen zwischen inelastischen Stößen λ_impf~5-10 nm ², bei Anregung mit E_phot=21,2 eV (He I) dagegen ~0,5 nm. Mit der UV-PES ist es daher möglich, eine gemittelte Zustandsdichte für die obersten ~10 nm einer Probe zu messen. Damit ist sie optimal ge­eignet, die a-Si-Emitterschichten mit Dicken um 5-10 nm, wie sie in der aSi/cSi-Heterostruktur-Solarzelle verwendet werden, hinsichtlich ihrer Zustandsdichte N_OCC(E) bis hinunter zu 10¹⁵ eV^-1cm^-3 und der Lage des Ferminiveaus zu charakterisieren. Für sehr geringe a‑Si:H Schichtdicken erhält man im Spektrum zusätzliche Beiträge aus dem Valenzband des darunterliegenden c‑Si Substrats, was eine einfache Bestimmung des Bandoffsets am a‑Si:H/c‑Si Heterokontakt mit einem Minimum von Annahmen ermöglicht [5,6].

² Der Grund hierfür liegt darin, dass die niedrige Energie der Elektronen nicht ausreicht, um im Probenmaterial Phononen anzuregen, und damit der wesentliche inelastische Streuprozess nicht stattfinden kann.

Beispiel einer CFSYS-Messung an unterschiedlich dotierten, ~10 nm dünnen a-Si:H Schichten auf kristallinem Silizium-Substrat (c-Si) [6]: E_V markiert die Valenzbandkante des a-Si:H. Mit steigender n-Typ Dotierung des a-Si:H erhöht sich die Defektdichte in der Bandlücke, und das Ferminiveau E_F (senkrechte Pfeile) verschiebt sich in Richtung Leitungsband-Kante E_C. Zustände oberhalb von E_F sind in der Photoelektronenspektroskopie nicht sichtbar, da nicht von Elektronen besetzt.

Literaturangaben: