Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit Kathodolumineszenz-Analysesystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Rasterelektronenmikroskop (REM) mit Kathodolumineszenzsystem (KL) wird am Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig für eigene Projekte und im Rahmen verschiedener Kooperationen genutzt, insbesondere um Galliumnitrid (GaN) und verwandte ternäre Halbleiter Mikro- und Nanostrukturen sowie optisch aktive Oxide zu untersuchen. Dabei dient das System der ortsaufgelösten Analyse optischer und elektronischer Eigenschaften von Halbleiterstrukturen, welche mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder gepulster Sputterdeposition (PSD) am Institut hergestellt wurden. Mittels des REM kann sowohl die Topographie (Sekundärelektronenkontrast) als auch die qualitative Materialzusammensetzung (Rückstreuelektronenkontrast) analysiert werden. Das REM bietet weiterhin die Möglichkeit die Kristallstruktur mittels electron channeling patterns (ECP) zu bestimmen sowie zur Oberfläche durchstoßende Kristalldefekte mittels electron channeling contrast imaging (ECCI) sichtbar zu machen. Diese vielfältigen Methoden zur Analyse der Materialqualität sind Projekte innerhalb des Instituts für Halbleitertechnik sehr wichtig. Das KL-Analysesystem ist mit einem Gittermonochromator ausgestattet, der sowohl pan- als auch monochromatische KL-Rasterabbildungen als auch die Aufnahme von KL-Spektren ermöglicht. Mittels KL-Spektren wird die Emissionscharakteristik der jeweiligen Proben untersucht. Das Verhältnis der Emissionsintensität zum Strahlstrom des Elektronenstrahls, welcher die Anregungsdichte beeinflusst, erlaubt Rückschlüsse auf die optische Qualität des Materials. Eine Betrachtung des Verhältnisses von Bandkantenlumineszenz und Defektlumineszenz erlaubt weitere Rückschlüsse auf die Materialqualität.Optisch aktive Quantenstrukturen, wie sie z.B. in LED-Strukturen eingesetzt werden, können durch KL umfassend analysiert werden. Die Emissionswellenlänge der Quantentröge hängt von deren Materialzusammensetzung ab. Verschiebungen der Emissionswellenlnge als Funktion der Position auf der Probe zeigen örtliche Variationen in der Zusammensetzung an.. Ortsaufgelöste panchromatische KL Messungen lassen Rückschlüsse auf die örtliche Verteilung der optischen Qualität zu. Mithilfe des Monochromators im Analysesystem können Energie- bzw. Wellenlängengefilterte, ortsaufgelöste KL Messungen erfolgen. Diese werden genutzt um die Emission von Quantentöpfen oder gelber Defektlumineszenz des GaNs ortsaufgelöst darzustellen. Auf Grund der hohen kinetischen Energie der Primärelektronen von einigen keV können auch Halbleiter mit sehr hoher Bandlücke gemessen werden, die ansonsten mit konventionellen Lasern nicht mehr gut zugänglich sind. Dies ist insbesondere für die am Institut durchgeführten Projekte zur Entwicklung von AlGaN LEDs für den UV SPektralbereich wichtig. Ein zusätzlich aus Drittmitteln im Rahmen der DFG Forschergruppe FOR1616 beschafftes LN2-Kryomodul ermöglicht Messungen der KL-Emission bei Probentemperaturen zwischen -190°C und 100°C, sodass z.B. Donator-Akzeptor-Paar Lumineszenz der Strukturen oder die Temperaturabhängigkeit der Quantentrog- Emission von LEDs untersucht werden kann. Eine Besonderheit des Systems ist die Integration von bis zu drei unabhängigen Spitzen-Manipulatoren. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung von Mikro- und Nanostrukturen. Neben elektrischen Messungen an Nanostrukturen kann in Kombination mit dem KL-System kann auch die Elektrolumineszenz einzelner Nanostrukturen untersucht werden. In AlGaN/InGaN LEDs wird eine nur schlecht leitfähige p-Schicht verwendet. Die dadurch sehr kleine Stromaufweitung führt dazu, dass der Strom zum großen Teil direkt unter der Nanonadel durch die LED fließt. Damit können durch das System auch ortsaufgelöste IV- und Elektrolumineszenz-Daten aufgenommen werden. In GaN/InGaN Fin Strukturen konnten dadurch sowohl elektrische als auch optische Inhomogenitäten nachgewiesen. Durch den in das Mikroskop integrierten ‚electron beam induced current‘ (EBIC) Verstärker können bei entsprechender Kontaktierung pn-Übergänge auf der Probe analysiert werden. , wodurch z.B. die Homogenität der Kern-Mantel Struktur von Mikro-LEDs gezeigt werden konnte . Wird das EBIC-Signal mit der KL korreliert, lassen sich weitere Rückschlüsse auf das elektrooptische Verhalten der Strukturen ziehen. Die große Probenkammer und der speziell angepasste KL-Spiegel ermöglichen dabei, dass bis zu 4 Zoll große Wafer am Stück eingebaut und vollständig abgefahren werden können. Dies ist auch unter einer Kippung von 30° möglich, sodass 3D-Strukturen auf der Probe entlang ihrer Höhe charakterisiert werden können. Dieses nicht invasive Verfahren erlaubt eine Weiterprozessierung der Proben nach den Messungen, sodass die Auswirkungen von Prozessschritten auf die Probe direkt untersucht werden können. Das KL-REM-System hat sich als eine der tragenden Säulen zur Analyse von 3D Strukturne etabliert und eine ganze Reihe von Projekten zur Entwicklung von 3D core-shell-LEDs begleitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Epitaxy Competence Center at the TU Braunschweig, University of Technology New FE- SEM for electro-optical characterization,” EMS yearbook 2015, EMS, p. 52, 2016
J. Ledig
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Evaluation of local free carrier concentrations in individual heavily-doped GaN:Si micro-rods by micro-Raman spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 108, 091112 (2016)
M. S. Mohajerani, S. Khachadorian, T. Schimpke, C. Nenstiel, J. Hartmann, J. Ledig, A. Avramescu, M. Strassburg, A. Hoffmann, A. Waag
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High Aspect Ratio GaN Fin Microstructures with Nonpolar Sidewalls by Continuous Mode Metalorganic Vapor Phase Epitaxy, Crystal Growth & Design 16 (3), 2016
Jana Hartmann, Frederik Steib, Hao Zhou, Johannes Ledig, Sönke Fündling, Friederike Albrecht, Tilman Schimpke, Adrian Avramescu, Tansen Varghese, Hergo-Heinrich Wehmann, Martin Straßburg, Hans-Jürgen Lugauer, Andreas Waag
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Leuchtende Türme, Physik Journal 11/2016
Jana Hartmann, Andreas Waag, Adrian Avramescu und Martin Straßburg
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“Correlative ECCI and CL of single GaN microstructures obtained using ECP by beam rocking on small areas,” in European Microscopy Congress 2016: Proceedings, Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016, pp. 1043–1044
J. Ledig, F. Steib, J. Hartmann, S. Fündling, H. Wehmann, and A. Waag
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“Electro-optical characterization of 3D-LEDs - Nondestructive inspection of 4’’ wafers in bird’s eye view by an FE- SEM,” Imaging Microsc., vol. 18, no. 2, pp. 44–46, 2016
J. Ledig, S. Fündling, F. Steib, J. Hartmann, H.-H. Wehmann, and A. Waag
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“Position-controlled MOVPE growth and electro-optical characterization of core-shell InGaN/GaN microrod LEDs,” in Proc. SPIE 9768, 2016, p. 97680T
T. Schimpke, H.-J. Lugauer, A. Avramescu, T. Varghese, A. Koller, J. Hartmann, J. Ledig, A. Waag, and M. Strassburg
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“SEM based electrooptical characterization of core-shell LEDs and simulation of imaging including CL and EBIC excitation inside ensembles,” in European Microscopy Congress 2016: Proceedings, Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2016, pp. 652–653
J. Ledig, C. G. Frase, F. Steib, J. Hartmann, H. Wehmann, and A. Waag
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Study of 3D-growth conditions for selective area MOVPE of high aspect ratio GaN fins with non-polar vertical sidewalls, Journal of Crystal Growth 476, 2017
Jana Hartmann, Frederik Steib, Hao Zhou, Johannes Ledig, Lars Nicolai, Sönke Fündling, Tilman Schimpke, Adrian Avramescu, Tansen Varghese, Achim Trampert, Martin Straßburg, Hans- Jürgen Lugauer, Hergo-Heinrich Wehmann, Andreas Waag
