Kelvinsondenkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum zur Charakterisierung von Halbleiter-Heterodioden auf der Basis von Chalkopyriten

Abstract

Heterodioden auf der Basis von Verbindungshalbleitern der Gruppe II-VI und des Chalkopyrits CuGaSe2 wurden mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) hinsichtlich ihrer Anwendung in Dünnschichtsolarzellen untersucht. Als Spektroskopiemethode wurde die Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM) im UHV weiterentwickelt und zur Bestimmung der lokalen Austrittsarbeit eingesetzt.

Zunächst wurde der CVD-Prozeß von ZnSe hinsichtlich der Anwendung in ZnO/ZnSe /CIGSS-Solarzellen untersucht und optimiert. Im Vergleich zu Solarzellen ohne ZnSe-Pufferschichten konnte eine Verdoppelung des photovoltaischen Wirkungsgrades erreicht werden.

Ein kommerzielles UHV-AFM wurde zum Kelvinsondenkraftmikroskop erweitert und anschließend anhand von Punktspektroskopieuntersuchungen detailliert charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, daß schon bei sehr kleinen Wechselspannungsamplituden von 100 mV die Kontaktpotentialdifferenz mit einer energetischen Auflösung von 2 meV bestimmt werden kann. Die laterale Auflösung wurde zu 20 nm bestimmt.

In der Umgebung von Monolagenstufen auf HOPG wurde eine Reduzierung in der Austrittsarbeit gemessen und durch den Smoluchowski-Effekt erklärt. Auf GaAs(110) wurde je nach Dotierung eine Erhöhung oder Erniedrigung der Austrittsarbeit an Stufen beobachtet, was den Einfluß geladenener Defektzustände wiederspiegelt. In Messungen auf dem Halbleiter WSe2 konnten Variationen in der Kontaktpotentialdifferenz aufgrund dem abgeschirmten Coulombpotential von einzelnen Dotierstellen, d.h. elementarer Ladungen aufgel?st werden.

Im letzten Teil dieser Arbeit werden Messungen an verschiedenen II- VI/CuGaSe2-Heterodioden diskutiert, welche zeigten, daß mit der Kelvinsondenkraftmikroskopie wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung und Entwicklung neuer Herstellungsverfahren für Dünnschichtsolarzellen gewonnen werden können.

Scanning force microscopy (AFM) was used to investigate heterodiodes based on II-VI and chalkopyrite (CuGaSe2) compound semiconductors with respect to their application in thin film solar cells. For this purpose, the Kelvin probe force microscopy, a spectroscopic technique which allows for a local determination of the work function or the contact potential difference by AFM, was further developped in UHV.

In a first step, the CVD deposition of ZnSe was investigated and optimized with respect to the application in ZnO/ZnSe/CIGSS solar cells. The efficiency of such structures could be increased by a factor of two compared to solar cells without this ZnSe buffer layer.

An UHV Kelvin probe force microscope was developped based on a commercial AFM and characterized in detail using point spectroscopy measurements. Even at very small AC sample voltages of 100 mV, an energetic resolution in the determination of the contact potential difference of 2 meV could be achieved. The lateral resolution was determined to be in the range of 20 nm.

A reduction of the work function, as observed in the vicinity of monolayer steps on a HOPG sample, was explained by the Smoluchowski effect of localized electric dipoles. Depending on the type of doping a reduction or increase of the work function was measured at steps on the surface of GaAs(110). This can be attributed to a shift of the Fermi level at the surface due to charged defect states. Measurements on the semiconductor WSe2 demonstrate the ability of the setup to resolve potential variations due to charged dopant sites, i.e. to image the screened Coulomb potential of elemental charges.

Work function and especially surface photovoltage measurememts on II- VI/CuGaSe2-heterodiodes are discussed in detail in the last part of this thesis. It could be demonstrated, that Kelvin probe force microscopy is a powerfull technique for the characterization of such thin film solar cells.