Messgerät zur gleichzeitigen Erfassung von 14 Halbleiter-Parametern

Mit einer einzigen Messung soll ein am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) entwickeltes Verfahren Halbleiter umfassend charakterisieren. Die von dem Physiker Artem Musiienko im Rahmen seiner „Maria Skłodowska Curie Postdoctoral Fellowship“ entwickelte Methode basiert auf dem Hall-Effekt, also dem Entstehen einer Spannung in einem stromdurchflossenen Leiter aufgrund eines äußeren Magnetfeldes. Das „Constant Light-Induced Magneto-Transport“ (CLIMAT) genannte Verfahren ermöglicht nach Angaben des HZB die Erfassung von 14 verschiedenen Parametern von negativen wie positiven Ladungsträgern.

Die Ladungsträger von Halbleitern, dem Material für Solarzellen, Transistoren, Detektoren, Sensoren und LEDs, werden durch Bestrahlung mit Licht – also mit Photonen – freigesetzt. Die dabei herausgelösten Elektronen (negative Ladungsträger) bewegen sich eine Zeit lang durch das Material, bevor sie wieder zurückfallen. Zeitgleich entstehen dort, wo die Elektronen fehlen, „Elektronenlöcher“, die sich wie positiv geladene Ladungsträger verhalten. Das Verhalten von Elektronenlöchern sowie negativen und positiven Ladungsträgern unterscheidet sich in unterschiedlichen Halbleitern oft ganz erheblich, was deren Eignung für bestimmte Anwendungen beeinflusst.

Bisher, heißt es in der HZB-Mitteilung, mussten diese Parameter „für jeden Ladungstyp extra ermittelt werden und erforderten darüber hinaus unterschiedliche Messmethoden.“ Die von Artem Musiienko entwickelte Methode erleichtert diese Arbeit erheblich. Sie nutzt ein senkrecht durch die Probe dringendes Magnetfeld und eine konstante Lichtquelle für die Ladungstrennung. Die freigesetzten Ladungen wandern entlang eines elektrischen Felds und werden, beeinflusst von ihrer Masse, Mobilität und weiteren Eigenschaften, durch das Magnetfeld senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt. Aus den hierbei erfassbaren Signalen, insbesondere auch aus den Differenzen zwischen den Signalen, lassen sich besagte 14 Eigenschaften ermitteln.

„Wir können das nutzen, um neuartige Halbleitermaterialien viel schneller einzuschätzen, zum Beispiel auf ihre Eignung als Solarzellen oder für andere Anwendungen“, sagt Musiienko. Forschungsteams am HZB, der Universität Potsdam und weiteren Einrichtungen in den USA, der Schweiz, England und der Ukraine haben insgesamt zwölf sehr unterschiedliche Halbleitermaterialien mit der CLIMAT-Methode charakterisiert, um deren breite Anwendbarkeit zu demonstrieren. Unter den Materialien waren Silizium, Halogenid-Perowskit-Filme, organische Halbleiter, Halbisolatoren, selbstorganisierte Monoschichten und Nanopartikel. Die Ergebnisse wurden im Wissenschaftsmagazin „Nature communications“ veröffentlicht.

Anfang des Jahres wurde die Methode vom Europäischen Patentamt zur Patentierung zugelassen (EP23173681.0). Es laufen bereits „Verhandlungen mit Unternehmen über die Lizenzierung unserer Methode“, sagt Musiienko. Das Ziel sei ein kompaktes Messgerät, etwa so groß wie ein Notebook.