Experimentalphysik/Elektronen- und Ionen-Nanooptik

Elektrische Potentiale in Nanostrukturen

Bestimmung der Spannung am p-n Übergang

Die Elektronenholographie in einem TEM wird häufig zur Messung der eingebauten Spannung von p-n-Übergängen in dotierten Halbleitern verwendet. Die laterale Verteilung von p-n-Übergängen lässt sich im Allgemeinen leicht abbilden. Allerdings ist die gemessene eingebaute Spannung immer kleiner als die erwartete Spannung, die sich aus den Dotierungsniveaus ergibt. Es wird berichtet, dass zumindest für Silizium, das durch eine Beschichtung mit Kohlenstoff einen leitenden Pfad zur Erde erhält, die Diskrepanz stark verringert wird. Folglich kann die Diskrepanz zwischen Messung und Erwartungswert auf undefinierte Bandverbiegungen hin zu den Oberflächen, auf unbekannte Oberflächenpotentiale und den daraus resultierenden elektrostatiischen Streufeldern geschlossen werden.

Im Rahmen eines Experiments ist mittels der Focused Ion Beam (FIB) eine Nadel aus einem GaN-Wafer mit p-n Übergang präpariert und elektronenholographisch untersucht worden. Der entscheidende Vorteil dieser Geometrie ist die bekannte Probendicke, so dass aus der gemessenen Phasendifferenz zwischen p- und n-Bereich die eingebaute Spannung am p-n Übergang bestimmt werden kann. Durch Modifikation der Probenoberfläche konnte gezeigt werden, dass die zu niedrig gemessene eingebaute Spannung nicht nur auf die oben genannten experimentellen Unwägbarkeiten zurückführen lassen, sondern dass noch ein anderer physikalische Effekt eine sehr wichtige Rolle spielen muss.

p-n Übergang unter Beleuchtung mit Elektronen

Ein bisher nur teilweise berücksichtigter Effekt ist der Einfluss der Beleuchtung durch den Elektronenstrahl im TEM, der Elektronen-Loch-Paare erzeugt, so dass sich der p-n-Übergang wie eine Solarzelle sich verhält, die im TEM anstelle von Licht mit Elektronen beleuchtet wird. Zusätzlich führt der hochenergetische Elektronenstrahl zur Erzeugung von Sekundärelektronen, die als positive Aufladung von schlecht geerdeten Proben beobachtet werden.

Wieder wurden nadelförmige GaN p-n-Übergängen mittels FIB präpariert und mittels Elektronenholographie untersucht. Dabei wurde die Elektronendosisleistung um drei Größenordnungen reduziert. Um dennoch ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erreichen, sind Hologrammserien mit einer akkumulierten Belichtungszeit von bis zu 1000 s aufgenommen worden. 

Es zeigt sich, dass die Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren tatsächlich eine wichtige Rolle bei der Erklärung der Diskrepanz spielt, während die Erzeugung von Sekundärelektronen vernachlässigt werden kann, da sie keinen Nettostrom über den p-n-Übergang erzeugen. Von allgemeiner Bedeutung für definierte experimentelle Bedingungen ist damit ein kleiner Kurzschlusswiderstand, der im Siliziumsystem leicht durch eine Kohlenstoffbeschichtung erreicht werden kann, während im GaN-System ein viel größerer Grenzflächenwiderstand zwischen Bulk- und leitenden Oberflächenschichten bestehen muss [1]. Diese Erkenntnisse sind wichtig für weitere Messungen, bei denen ein guter Kontakt der Bulk-Probe mit der Masse des TEMs sichergestellt werden muss, und sie öffnen das Fenster für quantitative in-situ Messungen unter Vorspannung.

[1] Jae Bum Park et al.,  Appl. Phys. Lett. 105 (2014) 094102.