Die Grundlage in der Mikroelektronik spielen Halbleiterbaumaterialien, die sich für ihr jeweiliges Einsatzgebiet aufgrund ihrer diesbezüglichen hervorragenden Eigenschaften auszeichnen.
In der vorliegenden Arbeit richtet sich das Augenmerk auf eine optische Charakterisierungsmethode, die Photolumineszenz (PL). Mit ihr können u. a. Einflüsse verschiedener Prozessschritte (z. B. Tempern der Probe) und mikroskopischer Strukturen (z.B. Micropipes im Siliziumkarbid), die für die Leistungsfähigkeit des Bauelementes kritisch sind, untersucht werden. Mit der PL bietet sich dem Anwender sowohl die Möglichkeit einer spektralen, lokalen Charakterisierung als auch einer ortsaufgelösten bildlichen Darstellung (Topographie) des Defektinventars der Probe.
Die Aufgabe der vorliegenden Diplomarbeit bestand in der Konstruktion und dem Bau einer Mikro-PL. Anhand der Anwendung auf ausgewählte Materialien soll in dieser Arbeit die Bedeutung der neuen Apparatur verdeutlicht werden.
Im Folgenden wird der Leser zunächst in die Grundlagen der Halbleiterphysik und der Photolumineszenz eingeführt. Anschließend wird das Konzept der Mikro-PL vorgestellt und dabei auf Vorüberlegungen zum Bau, dessen Umsetzung und auf die aufgetretenen Probleme eingegangen. Weiterhin werden gewonnene Erkenntnisse über den Apparatebau im Allgemeinen und die Optik im Besonderen präsentiert sowie die Möglichkeiten zur Verbesserung und Optimierung der Leistungsfähigkeit der Mikro-PL-Apparatur aufgezeigt.
Der zweite Teil dieser Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung und Bedeutung der Mikro-PL für verschiedene Materialien. Zunächst werden die binären Halbleiter Indiumphosphid und Siliziumkarbid untersucht. Darüber hinaus werden die für die Geodatierung wichtigen Feldspäte betrachtet.
Abschließend erwarten den Leser eine Zusammenfassung der im Rahmen dieser Diplomarbeit gewonnenen Ergebnisse und ein Ausblick auf zukünftige Untersuchungen.
Inhaltsübersicht
1 Definitionen und Abkürzungen
2 Motivation
3 Grundlagen
3.1 Grundlagen der Halbleiterphysik
3.2 Allgemeine Lumineszenz
3.3 Photolumineszenz (PL)
3.4 Physik der Photolumineszenz in der Probe
4 Bau einer Mikro-PL-Apparatur
4.1 Photolumineszenz als Messmethode
4.2 Vorüberlegungen zum Bau einer Mikro-PL
4.3 Umsetzung
4.4 Probleme und Verbesserungsvorschläge
5 Anwendungen der Mikro-PL
5.1 Indiumphosphid
5.1.1 Motivation
5.1.2 Materialcharakteristika
5.1.3 Problembezogene Photolumineszenz an Indiumphosphid
5.1.4 Auswertung der Messergebnisse
5.1.5 Mikro-PL an Indiumphosphid
5.2 Siliziumkarbid
5.2.1 Motivation
5.2.2 Materialcharakteristika
5.2.3 Problembezogene Photolumineszenz an Siliziumkarbid
5.2.4 Auswertung der Messergebnisse
5.2.5 Mikro-PL an Siliziumkarbid
5.3 Feldspäte
5.3.1 Motivation
5.3.2 Materialcharakteristika
5.3.3 Lumineszenz an Feldspäten
5.3.3.01 Lumineszenzdatierung
5.3.3.02 Problembezogene Photolumineszenz an Feldspäten
5.3.4 Auswertung der Messergebnisse
5.3.5 Mikro-PL an Feldspäten
6 Zusammenfassung und Ausblick
Anlage A: Programmierung der Motoransteuerung
Anlage B: Literaturverzeichnis
Anlage C: Abbildungsverzeichnis
Anlage D: Tabellenverzeichnis
1 Definitionen und Abkürzungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2 Motivation
Die Vorzüge, die in unserem Leben mit den Anwendungen der Mikroelektronik in den letzten 50 Jahren immer größeren Einfluss genommen haben, sind nicht mehr wegzudenken. Die Mikroelektronikindustrie ist weiterhin einer der wachstumsstärksten Zweige. Dem Mooreschen Gesetz zufolge verdoppelt sich die Anzahl der Transistoren pro Flächeneinheit eines Chips aller 18 Monate [Wikipedia - Moores Law].
Deutschland gilt dabei auf vielen Gebieten als „Top-Standort“. Weit über die Hälfte aller weltweit hergestellten Chips werden hier produziert. Insbesondere die neuen Bundesländer treten an die Spitze dieser Industrie. Der Großraum Dresden / Freiberg hat sich zum führenden Halbleiterzentrum Europas entwickelt und gehört zu den fünf größten Standorten der Welt. Nirgendwo sonst in Europa als in „Silicon Saxony“ konzentrieren sich so viele Unternehmen der Branche [Innovationsresport]. Der namensverwandte Verein hat 250 Mitgliedsfirmen mit ca. 25.000 Beschäftigten und versteht sich als „Netzwerk […] der sächsischen Mikroelektronik- und Halbleiterindustrie“ [Wikipedia - Silicon Saxony].
Vor diesem Hintergrund spielt die Forschung und Entwicklung eine tragende Rolle, um die Position des Silicon Saxony zu erhalten und zu stärken. Daher ist die Industrie neben eigenen Entwicklungsabteilungen stark an einer engen Zusammenarbeit mit lokalen Forschungseinrichtungen interessiert. Leistung, Quantität und Qualität bei gleichzeitiger Effektivität sind für ein Unternehmen im marktwirtschaftlichen Wettbewerb überlebenswichtig.
Die Grundlage in der Mikroelektronik spielen Halbleiterbaumaterialien, die sich für ihr jeweiliges Einsatzgebiet aufgrund ihrer diesbezüglichen hervorragenden Eigenschaften auszeichnen. Indiumphosphid und Siliziumkarbid sind zwei der führenden Vertreter.
Indiumphosphid wird als direkter Halbleiter sowohl im Hochfrequenzbereich als auch als Ausgangsmaterial für LED’s und Laserdioden verwendet. Seine Immunität gegenüber kosmischer Strahlung unterstützt den Einsatz in Solarzellen in der Raumfahrt.
Siliziumkarbid überzeugt aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit und thermischen Stabilität in Bereichen mit hohen Leistungen, hohen Spannungen, hohen Frequenzen und hohen Temperaturen. Seine starke Atombindung verleiht SiC außerdem chemische Inertie.
Um diese Eigenschaften für die Verwendung in Bauelementen ausnutzen bzw. sie berücksichtigen zu können, ist ein genaues Verständnis des Verhaltens dieser Eigenschaften - etwa bei Anwendung verschiedener Prozessverfahren auf das Material - notwendig.
Dafür werden sowohl räumlich als auch spektral hochauflösende, bis auf einen geringen Fehler reproduzierbare, hochempfindliche und zerstörungsfreie Methoden benötigt, die zur optischen und elektrischen Charakterisierung zur Verfügung stehen.
Nicht zwingend sind elektrisch aktive Defekte auch optisch aktiv. Daher ist die Schnittmenge beider außerordentlich interessant. Die gefundenen Defekte können sowohl gewollt als auch ungewollt sein, aber in beiden Fällen ist eine Charakterisierung nötig, um die Tauglichkeit des Halbleiters für das Bauelement prüfen zu können und Materialweiterentwicklung zu ermöglichen. Dafür bietet sich eine Vielzahl an Charakterisierungsmethoden. Zu ihnen zählen u. a. die ESR („Electron Spin Resonance“ Spectroscopy), FTIR („Fourier Transform Infrared“ Spectroscopy), Hall, DLTS („Deep Level Transient Spectroscopy“), PICTS („Photo Induced Current Transient Spectroscopy“), Photoleitfähigkeit sowie die PL (Photolumineszenz). PICTS und Photoleitfähigkeit können am hiesigen Institut außerdem kontaktlos und damit zerstörungsfrei mit Mikrowellen detektiert werden [TU Freiberg].
Über den Vergleich der damit gewonnenen Ergebnisse ergibt sich ein fundiertes Bild der Eigenschaften des Defektinventars des untersuchten Materials. Erst ein perfektes Zusammenspiel verschiedenster Methoden führt zum erwünschten Verständnis des Materialverhaltens und damit zum Fortschritt für die Mikroelektronikindustrie. Dafür werden aber auch hohe Anforderungen an die Charakterisierungsverfahren gestellt, die sowohl durch Leistungsfähigkeit als auch Aussagekraft überzeugen müssen. Eine ständige Weiterentwicklung und Optimierung der Methoden ist daher außerordentlich wichtig.
In der vorliegenden Arbeit richtet sich das Augenmerk auf eine optische Charakterisierungsmethode, die Photolumineszenz (PL).
Mit ihr können u. a. Einflüsse verschiedener Prozessschritte (z. B. Tempern der Probe) und mikroskopischer Strukturen (z. B. Micropipes im Siliziumkarbid), die für die Leistungsfähigkeit des Bauelementes kritisch sind, untersucht werden. Ihr Einsatzgebiet verlässt sogar die Halbleiterphysik. Eine bedeutende Datierungsmethode in der Geologie bedient sich der Lumineszenz in Feldspäten.
Mit der PL bietet sich dem Anwender sowohl die Möglichkeit einer spektralen, lokalen Charakterisierung als auch einer ortsaufgelösten bildlichen Darstellung (Topographie) des Defektinventars der Probe.
Die Ortsauflösung der herkömmlichen PL (Makro-PL) ist bisher in der vorhandenen Apparatur auf 50 m limitiert. Damit bleiben kleinere Strukturen, die für die Größe heutiger Halbleiter-Bauele- mente kritisch sein können, unberücksichtigt. Vor diesem Hintergrund erklärt sich der Bau einer Mikro-PL-Apparatur mit einer deutlich höheren räumlichen Auflösung.
Die Aufgabe der vorliegenden Diplomarbeit bestand in der Konstruktion und dem Bau einer Mikro- PL. Anhand der Anwendung auf ausgewählte Materialien soll in dieser Arbeit die Bedeutung der neuen Apparatur verdeutlicht werden.
Der Einfluss des Temperns auf Indiumphosphidproben wird untersucht. Dabei wird speziell auf Prozessspuren geachtet, die eine Veränderung der optischen Eigenschaften hervorrufen und auf die hohen Temperaturen zurückzuführen sein könnten. Eine Auflösung von 50 μm wäre vermutlich unzureichend, um klare Strukturen zu erkennen.
Micropipes („Mikroröhren“) im Siliziumkarbid wirken sich beträchtlich auf die Funktionsfähigkeit von HL-Bauelementen aus, bis hin zu deren vollständigen Zerstörung. Sie können Durchmesser von 0,1 μm bis 5 μm annehmen und können daher mit der niedrigen Ortsauflösung der Makro-PL im Gegensatz zur Mikro-PL nicht untersucht werden.
Feldspäte zeigen lumineszierende Eigenschaften im infraroten Bereich. Diese IR-Lumineszenz wird in der Geologie für Datierungsmethoden verwendet. Dabei hat es sich gezeigt, dass sie allerdings nur bei Kaliumfeldspäten zu finden ist. Mischfeldspäte mit lokal variierender Kaliumkonzentration müssten daher eine ähnlich unterschiedliche IR-Lumineszenz an verschiedenen Stellen der Probe zeigen. Es ist zu erwarten, dass die räumliche Änderung der Signalintensität den Einsatz der Mikro- PL erfordern wird, um eine Korrelation des genannten Signals mit dem Kaliumanteil herzustellen. Im Folgenden wird der Leser zunächst in die Grundlagen der Halbleiterphysik und der Photolu- mineszenz eingeführt. Anschließend wird das Konzept der Mikro-PL vorgestellt und dabei auf Vorüberlegungen zum Bau, dessen Umsetzung und auf die aufgetretenen Probleme eingegangen. Weiterhin werden gewonnene Erkenntnisse über den Apparatebau im Allgemeinen und die Optik im Besonderen präsentiert sowie die Möglichkeiten zur Verbesserung und Optimierung der Leistungsfähigkeit der Mikro-PL-Apparatur aufgezeigt.
Der zweite Teil dieser Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Anwendung und Bedeutung der Mikro- PL für verschiedene Materialien. Zunächst werden die binären Halbleiter Indiumphosphid und Siliziumkarbid untersucht. Darüber hinaus werden die für die Geodatierung wichtigen Feldspäte betrachtet.
Abschließend erwarten den Leser eine Zusammenfassung der im Rahmen dieser Diplomarbeit gewonnenen Ergebnisse und ein Ausblick auf zukünftige Untersuchungen.
3 Grundlagen
3.1 Grundlagen der Halbleiterphysik
Nähern sich zwei Atome einander an, kommt es bei Überlappung der Atomorbitale aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen der Elektronen zur Aufspaltung ihrer Energieniveaus. Dabei gilt, je größer die Überlappung der Atomorbitale desto größer deren Aufspaltung. Für N Atome, wie sie in Festkörpern vorhanden sind, ergibt sich eine Aufspaltung in N Energieniveaus.
Aufgrund der Vielzahl an Energieniveaus und den vergleichsweise kleinen Abstand dieser voneinander spricht man in der Halbleiterphysik von Energiebändern. Das energetisch höchste noch besetzte Band wird als Valenzband bezeichnet und ist vom Leitungsband durch die Bandlücke, die aufgrund der genannten Aufspaltung entstanden ist, getrennt. Sie definiert den Unterschied zwischen Leitern, Halbleiter und Isolatoren.
Bei Metallen (Leitern) befindet sich die Fermi-Energie im Leitungsband, woraus eine teilweise Besetzung des Leitungsbandes resultiert und freie Ladungsträger zur Verfügung stehen. Für Halbleiter und Isolatoren liegt sie in der Bandlücke. Um Ladungsträger vom Valenzband in das Leitungsband anregen zu können und somit freie Ladungsträger im Leitungsband zu erzeugen, wird Energie benötigt. Diese steht mit der Wellenlänge des anregenden Lichtstrahls nach Planck in folgender Beziehung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Man unterscheidet dabei in direkte und indirekte Übergänge (vgl. Abb. 1). Im Fall einer direkten Bandlücke befinden sich das absolute Leitungsbandminimum und Valenzbandmaximum an derselben Stelle im reziproken Raum. Dabei ändert sich der Impuls k nur unbedeutend. Liegt eine indirekte Bandlücke vor, so ist das absolute Leitungsbandminimum im reziproken Raum um k = kc verschoben. Die Anregung von Ladungsträgern aus dem Valenzband erfordert nun den Beitrag eines weiteren Teilchens, welches den für den Übergang erforderlichen Impuls kc liefert. Dieser kann von Phononen, quantisierten Gitterschwingungen, aufgebracht werden. Dabei ist deren Energiebeitrag klein gegenüber der Photonenenergie und kann oft vernachlässigt werden.
Da im Falle eines indirekten Übergangs Phononen benötigt werden, ist dieser weniger wahrscheinlich im Vergleich zu einem direkten Übergang.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Direkter (links) und indirekter (rechts) Bandübergang in Halbleitern
Halbleiter zeichnen sich dadurch aus, dass die zur Anregung notwendige Energie in Form von Wärme aufgebracht werden kann, wohingegen die Bandlücke im Isolator dafür zu groß ist. Der Übergang von Halbleiter zu Isolator ist nicht scharf definiert. Ein ungefährer Grenzwert liegt bei 3 eV.
Verschiedene Einflüsse wie Druck und Temperatur bewirken eine Veränderung der Bandlückengröße. Bei Erhöhung der Temperatur werden die höheren Energieniveaus des Gitter- potenzials entsprechend der thermischen Energie besetzt. Aufgrund der Anharmonizität des Gitterpotenzials verschiebt sich dabei die Ruhelage der Schwingung, was zu einer Vergrößerung der Gitterkonstante führt. Dieser Vorgang ist makroskopisch als thermische Ausdehnung bekannt. Mit dem Wachstum der Gitterkonstante entfernen sich benachbarte Atome voneinander. Das Überlappungsintegral ihrer Orbitale nimmt hierbei ab und es kommt zur Verkleinerung der Bandlücke.
Druck hingegen führt zu einer Abnahme der Gitterkonstante und folglich einer Vergrößerung der Bandlücke.
Anwendung findet die Halbleiterphysik z. B. im Bereich der Detektion.
Halbleiterdetektoren basieren auf der Anregung von Ladungsträgern aus dem Valenzband in das Leitungsband mit Photonen entsprechender Energie (vgl. (1)). Dabei wird die detektierende Diode in Sperrrichtung geschaltet. Treffen nun Photonen mit einer Energie, die größer ist als die Bandlücke, auf die Diode, werden Elektron-Loch-Paare erzeugt (s. Kapitel 3.4), die bei angelegter Spannung zum Stromfluss führen. Die Stromstärke verhält sich proportional zur Intensität der einfallenden Photonen [Kittel], [Schaumburg].
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Halbleiterdetektoren aus Silizium und Indium-Galliumarsenid (InGaAs) verwendet.
Hierbei ist Silizium für den Spektralbereich UV bis 1100 nm aufgrund seiner Bandlücke von 1,12 eV (bei 300 K) und InGaAs für den nahen Infrarotbereich geeignet, wobei die genaue Bandlücke des InGaAs von dessen Zusammensetzung abhängt.
3.2 Allgemeine Lumineszenz
Die Lumineszenz (lat.: kaltes Licht) ist laut Überlieferungen ein bereits seit der Antike bekanntes Phänomen. Verantwortlich für diese Erscheinung ist der nach Anregung eines energetisch erhöhten Niveaus erfolgende strahlende Rückfall in den Grundzustand. Die Relaxation (Entspannung) der angeregten Zustände kann spontan (Fluoreszenz) oder auch verzögert (Phosphoreszenz) verlaufen. 1669 entdeckte der Alchimist Henning Brandt die lang anhaltende bläuliche Lumineszenz des weißen Phosphors und gab der Erscheinung ihren Namen. Die intensive blaue Lumineszenz des Minerals Kalziumfluorit (CaF2), die nur während der Bestrahlung mit Sonnenlicht auftritt, prägte den Begriff Fluoreszenz [Steffen 2000].
Lumineszenz bezeichnet im Gegensatz zur Temperaturstrahlung die Abgabe von Licht einer Energie, welche nicht dem Wärmehaushalt des Materials entspricht [Basu 1997]. Dabei unterscheidet man nach der Natur der Anregung verschiedene Lumineszenzarten. Tabelle 1 zeigt einige Beispiele.
Tabelle 1: ausgewählte Beispiele für Lumineszenzanregungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
In Festkörpern ist die Voraussetzung für das Auftreten von Lumineszenz das Vorhandensein einer Bandlücke. Sie kann daher nur in Halbleitern oder Isolatoren beobachtet werden. Eine weitere Voraussetzung ist eine Besetzung des Leitungsbandes mit einer Elektronenzahl, die über dem thermischen Gleichgewicht liegt. Dies kann beispielsweise durch Photolumineszenz erfolgen.
3.3 Photolumineszenz (PL)
Die Erscheinung der Photolumineszenz kann für sehr empfindliche und kontaktlose Materialanalysen verwendet werden.
In der Halbleiterphysik wird sie v. a. zur Charakterisierung des Defektinventars einer Probe genutzt. Abhängig von der Geschichte der Probe kann es zum Auftreten unterschiedlicher Störstellen kommen, welche die elektrischen und optischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Insbesondere die optischen Materialeigenschaften lassen sich mittels PL aufklären. Während einer PL-Messung erfolgt die Anregung der Ladungsträger durch Einstrahlung von Licht geeigneter Wellenlänge. Fällt ein Laserstrahl gegebener Energie mit der Intensität I’ auf die Oberfläche eines Festkörpers wird ein Teil des einfallenden Lichtes entsprechend des Reflexionskoeffizienten R an der Oberfläche reflektiert, der übrige Anteil wird mit der verbleibenden Intensität [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] transmittiert. In einem Abstand z ist die Intensität auf abgesunken, wobei α den Absorptionskoeffizienten darstellt. Sowohl R als auch α sind dispersiv.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der Kehrwert des Absorptionskoeffizienten beschreibt die Eindringtiefe, bei der die Intensität des einfallenden Laserstrahls auf 1/e abgesunken ist [Basu 1997].
3.4 Physik der Photolumineszenz in der Probe
Unter Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares wird ein Elektron in das Leitungsband angehoben (Optische Anregung), wobei die dazu notwendige Energie durch den einfallenden Laserstrahl bereitgestellt wird. Definitionsgemäß spricht man von Photolumineszenz nur im Falle einer Anregung von der Valenzbandkante zur Leitungsbandkante. Eine Anregung über die Bandlücke hinaus führt zur Relaxation der Ladungsträger in die Nähe der Bandkante. Ist die Energie der anregenden Photonen kleiner als die der Bandlücke (EG) spricht man von optisch stimulierter Lumineszenz.
Die über das thermische Gleichgewicht hinaus erzeugten Überschussladungsträger fallen nach einer mittleren Lebensdauer in einen energetisch günstigeren Zustand zurück, wo sie mit Löchern rekombinieren. Dabei kann sich dieser Zustand sowohl im Valenzband befinden als auch in durch Punktdefekte oder Versetzungen verursachten Zwischenzuständen in der Bandlücke. Unter Berücksichtigung der Stokeschen Regel, nach der die emittierte Strahlung langwelliger als die absorbierte sein muss, kommt es bei der Rekombination zur Abgabe der Energie oft unter Aussendung eines Photons. Im Spektrum, in dem die messbare Strahlungsintensität über der Wellenlänge aufgetragen wird, ist die Energie des ausgesandten Photons durch einen Peak erkennbar.
Die prinzipiell möglichen strahlenden Übergänge sind in Abb. 2 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: strahlendeübergänge im Halbleiter [in Anlehnung an Wagner 2006]
Fall a)
Die Ionisierungsenergie flacher Störstellen ist bei Raumtemperatur (RT) für viele Halbleiter erreicht. Daher kann über sie keine Rekombination mehr erfolgen und Band-Band-Übergänge dominieren. Die Position des Peaks im resultierenden Spektrum entspricht in diesem Fall der Bandlückenenergie, die eine Funktion der Temperatur darstellt (s. Kapitel 3.1). Abgesehen von Band-Band-Übergängen kann Rekombination auch über Zwischenniveaus erfolgen (Fall b - f). Das können sogenannte Traps sein, tiefe Störstellen z. B. verursacht durch Verunreinigungen, intrinsische Punktdefekte, Versetzungen, Stapelfehler und Ober- oder Grenzflächendefekte. Rekombinationsvorgänge über Traps verlängern die effektive Lebensdauer der Überschussladungsträger in der Probe (siehe Phosphoreszenz).
Fall b)
Ein wasserstoffähnliches Gebilde aus einem Elektron-Loch-Paar, welches sich aufgrund von Coulombkräften anzieht, bezeichnet man als Exziton. Handelt es sich bei den Bindungspartnern um ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband spricht man von freien Exzitonen. Diese können sich frei im Festkörper bewegen und daher auch kinetische Energie besitzen.
Nach einer mittleren Lebensdauer τ rekombinieren Elektron und Loch unter Aussendung von Licht der Energie
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei sind Eg die Bandlückenenergie, Eex die Bindungsenergie des Exzitons, und Ekin die kinetische Energie. Der temperaturabhängige Einfluss des kinetischen Energieterms wird auf der höherenergetischen Seite im Spektrum durch eine Peakverbreiterung in Form des sogenannten Boltzmann-Schwanzes sichtbar.
Fall c)
Ist das Elektron an einen neutralen Donator oder ionisierten Akzeptor gebunden bzw. im umgekehrten Fall das Loch an einen neutralen Akzeptor oder ionisierten Donator, so spricht man von gebundenen Exzitonen. Diese können aufgrund ihrer Bindung an die Störstelle keine kinetische Energie besitzen. Im Spektrum beobachtet man eine scharfe Linie, die bei der der Bindungsenergie Ebx an die Störstelle entsprechenden Temperatur (Ebx = kBT) verschwindet, da das Exziton bei dieser Energie zerfällt. Die Energie des ausgesandten Lichtes ist um diese Bindungsenergie Ebx erniedrigt (4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Fall d)
Bei entsprechend hoher thermischer Energie im Kristall liegen Donatoren und Akzeptoren ionisiert vor bzw. kommt es zum Zerfall der Exzitonen. Es können nun vermehrt Übergänge zwischen dem Leitungs- bzw. Valenzband und einem Donator (Akzeptor) beobachtet werden. Elektronen im Leitungsband rekombinieren mit dem Loch eines Akzeptors bzw. Löcher im Valenzband rekombinieren mit dem Elektron eines Donators. Die Energie des Überganges ist durch die Lage der Störstelle in der Bandlücke beschreibbar.
Fall e)
Sind im Festkörper sowohl Donatoren als auch Akzeptoren vorhanden, kann es auch zu einer direkten Rekombination zwischen einem Elektron eines Donators und einem Loch eines Akzeptors kommen (Donator-Akzeptor-Paar-Übergang (DAP)). Im Spektrum erscheint der Peak bei der Energie
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit ED (EA) der Bindungsenergie des Donators (Akzeptors) und R dem räumlichen Abstand der beteiligten Störstellen. Der Coulombterm berücksichtigt die Wechselwirkung zwischen den nach der Rekombination an den neutralen Störstellen entstandenen ionisierten Donatoren (Akzeptoren).
Fall f)
Auch angeregte Zustände von Störstellen können unter Aussendung eines Photons in ihren Grundzustand relaxieren. Das entstehende Lumineszenzspektrum ist dann charakteristisch für die vorliegende Störstelle [Wagner 2006].
Die Analyse der PL-Spektren wird zusätzlich durch Diffusion der Ladungsträger in das Probeninnere erschwert. Generation und Rekombination von Überschussladungsträgern finden an unterschiedlichen Stellen der Probe statt. Da es nicht möglich ist, das emittierte Licht innerhalb der Größenordnung der Diffusionslänge (LD) zu lokalisieren, wird eine örtlich aufgelöste Messung um LD verfälscht.
Auch Oberflächeneffekte müssen berücksichtigt werden. In der Oberfläche eines Festkörpers befinden sich zusätzliche Zustände, über die auch Überschussladungsträger aus dem Probeninneren an der Grenzfläche rekombinieren können.
Bei der Auswertung von Spektren ist des Weiteren darauf zu achten, dass es zu Fehlinterpretationen von PL-Spektren durch das Auftreten höherer Beugungsordnungen einiger Lumineszenzbanden kommen kann. Dies ist durch die Wahl eines geeigneten Filters zu überprüfen und gegebenenfalls zu vermeiden.
In Konkurrenz zu den eben beschriebenen strahlenden Übergängen tritt in Halbleitern auch nichtstrahlende Rekombination auf. Relaxation des angeregten Zustands in den Grundzustand erfolgt hierbei über Phononen. Hierin unterscheiden sich auch direkte von indirekten Halbleitern. Da bei letzteren die Rekombination immer Phononprozesse einschliesst, sind strahlende Übergänge weniger häufig als in direkten HL [Hahn 2008].
4 Bau einer Mikro-PL-Apparatur
4.1 Photolumineszenz als Messmethode
Der prinzipielle Aufbau einer PL-Apparatur soll anhand Abb. 3 beschrieben werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: schematischer Aufbau der PL-Apparatur
Der anregende Laserstrahl wird zunächst über einen Chopper frequenzmoduliert.
Für die Messungen wurden die 351 nm Linie eines Argon-Helium Lasers der Firma COHERENT sowie ein 532 nm DPSS („diode pumped solid state“) Laser der Firma ROITHNER LASERTECHNIK verwendet.
Durch den Chopper wird auch das später von der Probe emittierte Licht mit derselben Frequenz moduliert und dem Lock-In-Verstärker als Referenz übergeben.
Eine nach dem Chopper angeordnete Linse fokussiert den noch parallelen Laserstrahl auf die Probe. Das Emissionslicht (s. Abschnitt 2.3) der Probe ist divergent, wird von der Sammellinse kollimiert und über eine zweite Linse auf den Monochromator-Eintrittsspalt fokussiert (vgl. Abb. 3). Der Aufbau des hier verwendeten Monochromators ist analog zu dem eines Czerny-Turner- Gittermonochromators (vgl. Abb. 4).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: technische Zeichnung vom Hersteller des verwendeten Monochromatortyps [Jobin Yvon]
Über einen Kollimatorspiegel gelangt das Emissionslicht auf das Gitter. Bei vollständiger Ausleuchtung ist die durch das Gitter bedingte spektrale Auflösung maximal (s. (6)).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Auflösung des gesamten Monochromators schließlich wird durch die endliche Breite des Eintritts- bzw. Austrittsspaltes (S, Lineardispersion, (7)) und das Gitter selbst (Winkeldispersion (8)) begrenzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei werden die Intensitäten höherer Beugungsordnungen aufgrund der endlichen Höhe des Eintrittsspaltes abgeschwächt.
Allgemein gilt, benachbarte Linien können aufgelöst werden, wenn das Maximum der einen in das erste Beugungsminimum der anderen Linie fällt bzw. die spektrale Bandbreite kleiner ist als die mittlere Halbwertsbreite FWHM (= Full Width At Half Maximum, Rayleigh Kriterium, Abb. 5).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: spektrales Auflösungsvermögen [Wagner 2006]
Das Auflösungsvermögen R ist dann gegeben durch:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Da weiterhin folgender Zusammenhang zwischen Linear- und Winkeldispersion besteht (10),(F = Fokuslänge des Spiegels)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
ergibt sich aus (9) und (10) unter Berücksichtigung von Gleichungen (7) und (8) die Auflösung des Monochromators zu:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das den Detektor erreichende Signal (VS), welches vom emittierten Licht der Probe verursacht wird, multipliziert der Lock-In-Verstärker mit dem vom Chopper übergebenen Referenzsignal (VR) (12, 13, Abb. 3). Am Ausgang VA erhält man zwei Wechselstromsignale mit der Summe und der Differenz aus Chopperfrequenz R und Frequenz des von der Probe emittierten Lichts S (14).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gilt R = S, so wird (14/1) zu einem Gleichstromsignal. Ein Tiefpassfilter im Lock-In-Verstärker filtert alle (Umgebungs-)Signale heraus, die diese Bedingung nicht erfüllen. Damit wird eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses für kleine Messsignale erreicht.
Als Detektor wurde für den Bereich 400 nm bis 1100 nm eine Siliziumdiode, für den Bereich 800 nm bis 1800 nm ein InGaAs/InP-Halbleiterdetektor der Firma Thorlabs verwendet (vgl. Kapitel 3.1).
4.2 Vorüberlegungen zum Bau einer Mikro-PL
1) Die Apparatur soll zum einen stabil, zum anderen leicht abbaubar sein.
Mikro- und Makro-PL können nicht nebeneinander betrieben werden (siehe Punkt 2). Aus diesem Grund muss sichergestellt sein, dass das Gewicht der Mikro-PL klein gehalten wird, um den problemlosen Abbau dieser Apparatur je nach Bedarf der Messung zu gewährleisten. Damit verbunden ist eine leicht zu entfernende Befestigung an der Arbeitsplatte. Letzteres stellt wiederum erhöhte Ansprüche an die Stabilität der Anordnung.
2) Die Mikro-PL muss an die gegebene Anordnung der Makro-PL angepasst werden.
Der Bau der neuen Apparatur kann nicht unabhängig von der alten erfolgen. Bestimmte Geräte wie Laser, Chopper, Monochromator und Detektor müssen für beide Aufbauten verwendet werden. Dazu gehört, dass sowohl die Höhe des Eintrittsspaltes am Monochromator als auch die Position des Monochromators selbst unverändert bleiben. Des Weiteren muss die feste Position des ArgonLasers aufgrund seiner Größe berücksichtigt werden.
Diese Punkte erlauben keinen planaren Aufbau, wie er für PL-Messungen anzustreben ist. Der Laserstrahl muss quer durch den Raum geführt werden. Deshalb dürfen auch keine Hindernisse, z.B. eine Halterung, den optischen Weg versperren.
3) Der Zugriff auf die einzelnen Komponenten der Apparatur soll problemlos erfolgen können.
Die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl n ist Ursache für die chromatische Aberration. Hierbei verändert sich die Lage des Brennpunktes F abhängig von der Wellenlänge, da der Brechungsindex n und die Brennweite f indirekt proportional voneinander abhängig sind. Im Zusammenhang mit der Optimierung eines charakteristischen Peaks bei der Vermessung einer Probe muss daher der Abstand der Fokussierlinse vor dem Monochromator auf die detektierte Wellenlänge angepasst werden, um sowohl das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren als auch Form und Symmetrie des Peaks zu optimieren.
Die Justage des Laserstrahls erfordert ebenso wie die Fokussierung des von der Probe emittierten Lichtes auf den Monochromator hohe Präzision. Es ist daher äußerst wichtig, eine Apparatur zu haben, die einen schnellen, sicheren und genauen Zugriff auf die Optiken erlaubt. Es muss möglich sein, Position der Optiken in zwei, teilweise auch in drei Dimensionen exakt einzustellen, um sowohl das Signal-Rausch-Verhältnis des Messsignals zu maximieren als auch Form und Symmetrie des gemessenen Peaks zu optimieren.
[...]
- Quote paper
- Denise Reichel (Author), 2008, Entwicklung, Bau und Erprobung einer Mikro-PL-Apparatur, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/204810
