Ein HZB-Physiker hat eine neue Methode zur umfassenden Charakterisierung von Halbleitern in einer einzigen Messung entwickelt. Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ basiert auf dem Hall-Effekt und ermöglicht die Erfassung von 14 verschiedenen Parametern der Transporteigenschaften negativer und positiver Ladungsträger.
Die Methode wurde inzwischen an zwölf verschiedenen Halbleitermaterialien getestet und wird wertvolle Zeit bei der Bewertung neuer Materialien für optoelektronische Anwendungen wie Solarzellen sparen.
Solarzellen, Transistoren, Detektoren, Sensoren und LEDs haben eines gemeinsam: Sie bestehen aus Halbleitermaterialien, deren Ladungsträger erst dann freigesetzt werden, wenn sie von Licht (Photonen) getroffen werden. Die Photonen schlagen Elektronen (negative Ladungsträger) aus ihren Bahnen, die sich durch das Material bewegen, bis sie nach einer gewissen Zeit wieder eingefangen werden.
Gleichzeitig entstehen an den Stellen, an denen die Elektronen fehlen, Löcher – diese Löcher verhalten sich wie positiv geladene Ladungsträger und sind auch wichtig für die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Anwendung. Das Verhalten negativer und positiver Ladungsträger in Halbleitern unterscheidet sich oft um Größenordnungen hinsichtlich Mobilität, Diffusionslängen und Lebensdauer.
Bisher mussten die Parameter der Transporteigenschaften für jede Ladungsart separat mit unterschiedlichen Messmethoden ermittelt werden.
Einzelmessung
Im Rahmen seines Maria-Skłodowska-Curie-Postdoktorandenstipendiums hat der HZB-Physiker Dr. Artem Musiienko nun eine neue Methode entwickelt, mit der alle 14 Parameter positiver und negativer Ladungsträger in einer einzigen Messung erfasst werden können.
Der „Constant Light-Induced Magneto-Transport (CLIMAT)“ nutzt ein Magnetfeld vertikal durch die Probe und eine konstante Lichtquelle zur Ladungstrennung. Die Ladungsträger bewegen sich entlang eines elektrischen Feldes und werden durch das Magnetfeld senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung (Hall-Effekt) entsprechend ihrer Masse, Beweglichkeit und anderen Eigenschaften abgelenkt.
Aus den Signalen und insbesondere den Unterschieden zwischen den Signalen der verschiedenen Ladungsträger ließen sich insgesamt 14 verschiedene Eigenschaften ermitteln, zeigte Musiienko mit einem hübschen kleinen Gleichungssystem.
Positive und negative Ladungsträger
„CLIMAT liefert damit mit einer einzigen Messung einen umfassenden Einblick in die komplizierten Mechanismen des Ladungstransports, sowohl positiver als auch negativer Ladungsträger. Dadurch können wir neuartige Halbleitermaterialien viel schneller bewerten, beispielsweise auf ihre Eignung als Solarzellen.“ oder für andere Anwendungen“, sagt Musiienko.
Um die breite Anwendbarkeit der neuen Methode zu demonstrieren, haben Forscherteams am HZB, der Universität Potsdam und anderen Institutionen in den USA, der Schweiz, Großbritannien und der Ukraine damit nun insgesamt zwölf sehr unterschiedliche Halbleitermaterialien charakterisiert, darunter: Silizium, Halogenid-Perowskit-Filme, organische Halbleiter wie Y6, Halbisolatoren, selbstorganisierte Monoschichten und Nanopartikel. Die Ergebnisse liegen nun vor veröffentlicht In Naturkommunikation.
Unabhängige Experten wie Prof. Vitaly Podzorov von der Rutgers University, USA, verliehen der CLIMAT-Methode 15 von 16 Punkten Naturelektronik und halten die neue Methode für bahnbrechend.
CLIMAT macht insbesondere viele der bisher für verschiedene Messungen notwendigen Schritte überflüssig und spart so wertvolle Zeit. Anfang 2024 wurde die CLIMAT-Methode vom Europäischen Patentamt unter der Nummer EP23173681.0 zum Patent angemeldet. „Derzeit laufen Verhandlungen mit Unternehmen über die Lizenzierung unserer Methode“, sagt Musiienko. Das Ziel ist ein kompaktes Messgerät, etwa so groß wie ein Notebook.
Mehr Informationen:
Artem Musiienko et al., Auflösung von Elektronen- und Lochtransporteigenschaften in Halbleitermaterialien durch konstanten lichtinduzierten Magnettransport, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44418-1