Cross-plane-Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit (Cross-plane measurement of the electrical conductivity)

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1 Statustreffen Messtechnik Cross-plane-Messungen zur elektrischen Leitfähigkeit (Cross-plane measurement of the electrical conductivity) Markus Trutschel Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften Martin-Luther-Universität Halle Wittenberg

2 Gliederung Probleme bei cross-plane Messungen Über das TLM (transmission line model) Herstellung geeigneter Mesa-Strukturen Messaufbau cross-plane/in-plane Zusammenfassung

3 Probleme bei cross-plane Messungen Dünne Schichten werden auf ein Substrat aufgebracht. Ein direktes Messen senkrecht zur Oberfläche ist auf geschlossenen Filmen so nicht anwendbar. S,, Wo und auf welche Weise sollen die Kontakte angebracht werden? Der Substrat- und Kontakteinfluss ist verschieden und maßgebend für die Wahl der Messverfahren.

4 Probleme bei cross-plane Messungen Warum keine direkte Messung? S,, An nur wenigen Proben müssen viele Daten gewonnen werden Der Kontaktwiderstand ist für jedes Material und jede Struktur verschieden Wo können Thermoelemente angebracht werden ohne die Messung zu beeinflussen? Wie erreicht man einen hohen Temperaturgradienten im Superlattice? (nm gegen µm) S, Via TLM kann folgendes gemessen werden: Kontaktwiderstand Metall-SL spez. elektr. Widerstand cp des SL Schichtwiderstand In gleicher Art für Thermospannungen

5 Über das TLM und ETLM l n RlR sheet RC 2 )1( W v 1, i 1 klassisch: indirekte Methode zur Bestimmung von Kontaktwiderständen in elektrischen Baugruppen Durch Abstandsvariation der Kontakte kann aus (1) mittels R C lrlr ll 21 der Kontaktwiderstand bestimmt werden In der Extended TLM wird eine endliche Halbleiterschicht mit Scheinübergangsbereich unter dem Kontakt angenommen * 1 ChCBCC Berger, Solid State Electronics, 15, pp , 1972

6 Über das TLM Der reale Kontakt Reeves et al., Solid State Electronics, 38(5), pp , 1995

7 Herstellung geeigneter Mesastrukturen zur Messung nach TLM Schichtabscheidung durch MBE Kontaktstrukturierung mittels Fotolitographie Metallabscheidung (Kontaktpads) durch Verdampfung oder Sputtern Ätzen der Strukturen (z.b. mit Reactive-Ion-Etching)

8 Messstrukturen für cross-plane Widerstandsmessungen Der SL-Widerstand stellt im TLM einen zusätzlichen Kontaktwiderstand dar Variation der Turmhöhe (verschiedene SL-Widerstände) Variation der Kontaktdimensionen (Metall- Halbleiter-Kontaktwiderstand) Variation des Kontaktabstandes (Schichtwiderstand) Kontaktierung für Bonden, Messspitzenaufsatz oder Löten

9 Messaufbau cross-plane Vakuumkammer für diverse Atmosphären Spitzenpositionierung mit Zoomoptik und Mikroskopkamera Probenhalter

10 Messaufbau Probenhalter cross-plane Messspitzen sind beweglich Viele gängige Spitzen verwendbar Probe ist heizbar mit 2 Heizern, davon einer beweglich 4 x-y-z-manipulatoren mit Schrittmotorantrieb Kühlplatte mit Wasserdurchfluss

11 Messaufbau in-plane, Querschnitt Leitfähikeitsmessspitzen Thermoelementpaar SUB D25 Stecker Probe PT 100 Messkammer Cu- Block Nebenheizung Kapton-Folie Thermostat (bis 95 C) Heizplatte Grundplatte aus Cu

12 Messaufbau in-plane Messanordnungen Leitfähigkeitsmessung Cu I Ko V Ko Cu T 1 = T 2 T 1 T 2 Il Ubd V Cu Messung Seebeck- Koeffizient T 1 > T 2 V T 1 T 2 Ko S UCu CuKo S Cu UU Cu Ko

13 Weitere Messaufbauten Ladungsträgermobilität mit Hallmessplatz H R IB RU H d Leifähigkeitsbestimmung mit Vier-Spitzen- Methode H, Messung bei verschiedenen Temperaturen möglich

14 Zusammenfassung cross-plane Messungen sind mit dem TLM bzw. ETLM möglich Mesastrukturen können mit Lithographie, Verdampfung, Ätzverfahren hergestellt werden Die Messung kann mit gebondeten oder gelöteten Drähten, sowie durch aufsetzbare Spitzen an einer Fülle von Messstrukturen erfolgen Weitere geeignete Messaufbauten zur Verifikation sind vor Ort

15 Markus Trutschel Interdisziplinäres Zentrum für Materialwissenschaften Martin-Luther-Universität Halle Wittenberg hsl Versetzungskinetik, Halle 2006

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