Galliumnitrid unter dem Mikroskop

  • 10. November 2014

Neue Analyse­metho­dik kann GaN-Verbund­stoffe erst­mals optisch im Nano­meter­bereich unter­suchen.

Ob für Bildschirme von Smartphones, Computern und Fernsehern oder für die Beleuchtungs­industrie: Der Bedarf der Wirtschaft nach massen­tauglichen LEDs steigt stetig, nicht zuletzt deshalb, weil sie ein Viel­faches weniger an Energie benötigen als Glüh­lampen, Halogen­leuchten und sogar Energie­sparlampen. Die Entwicklung der blauen Leucht­diode bildet den letzten Baustein zu Erzeugung von warm­weißem Licht auf LED-Basis. Erst dieses Licht wird als angenehm empfunden, wodurch die Akzeptanz der Techno­logie nicht zuletzt für Heim­anwen­dungen deutlich zunimmt. Zur Entwicklung immer leistungs­fähigerer Elemente ist dabei eine kosten­günstige und schnelle Analyse­methode unverzichtbar.

Nahfeldmikroskop mit Bruchstück eines Galliumnitrid-Wafers (Bild: Fh.-ILT)

Abb.: Nahfeldmikroskop mit Bruchstück eines Galliumnitrid-Wafers (Bild: Fh.-ILT)

Die Auflösung konventioneller optischer Mikroskope stößt bei Objekten im Nanometer­bereich jedoch an ihre physika­lischen Grenzen. Abhängig von der verwendeten Licht­quelle lassen sich kleine Strukturen im Nanometer­bereich, wie sie unter anderem in modernen Halbleiterbauelementen vorliegen, nicht getrennt auflösen. Optische Analysen sind auf diesem Wege ausgeschlossen. Die Methodik der Nahfeld­mikroskopie umgeht diese grundlegende Beschränkung und dringt auf optischem Weg in den Nanometer­bereich vor. Die Anforderungen an die verwendete Lichtquelle sind dabei extrem hoch.

Forscher des Fraunhofer-Insituts für Lasertechnik haben in Zusammenarbeit mit I. Physikalischen Institut der RWTH Aachen dafür in den letzten Jahren ein neuartiges breitbandig durch­stimm­bares Lasersystem entwickelt, das auf die speziellen Anforderungen von Halbleiter­analysen ausgerichtet ist. Die Wellenlänge lässt sich an das zu unter­suchende Material anpassen, sodass sich eine Vielzahl an Materialien mit dem neuen System untersuchen lässt. Im Vergleich zu den bislang kommerziell verfügbaren sowie den in Forschung und Entwicklung eingesetzten Systemen ermöglicht die Neuent­wicklung aus Aachen deutlich schnellere spektro­skopische Analysen. Zudem lassen sich nun auch weitere Material­systeme erschließen, die mit den bisherigen Systemen noch nicht zugänglich waren. Dazu zählen unter anderen auch GaN und GaN-Verbund­stoffe.

Mit dem neu entwickelten Analysesystem gelang es den Aachener Forschern vergangenes Jahr erstmals, Verspannungen in der Kristall­struktur von undotierten GaN-Wafern auf optischem Wege zweidimensional darzustellen. Mithilfe von Computer­simulationen ließ sich zudem das Ausmaß der Verspannungen genau quantifizieren. In jüngster Zeit wurde das Verfahren auch auf unterschiedlich dotierte GaN-Schichten in komplexen Strukturen übertragen. Damit steht erstmals ein optisches Verfahren zur Verfügung, mit dessen Hilfe sich sowohl die strukturellen als auch die elektronischen Eigenschaften von GaN und GaN-Verbundstoffen auf der Nanometerskala untersuchen lassen.

Die Nahfeldmikroskopie besitzt gegenüber den üblicherweise eingesetzten Analysemethoden wirtschaftliche und qualitative Vorteile. Beispielsweise werden strukturelle Eigenschaften dünner GaN-Schichten derzeit mithilfe der Transmissions-Elektronen­mikroskopie untersucht. Die Kosten hierfür sind allerdings unter anderem aufgrund der aufwändigen Probenpräparationen sehr hoch. Nahfeld­analysen lassen sich in der Regel ohne jegliche Vorbehandlung durchführen. Bei der Untersuchung der elektronischen Eigenschaften kommt derzeit die Sekundärionen-Massen­spektro­metrie zum Einsatz. Axial lassen sich hiermit die elektronischen Eigenschaften im Nanometerbereich erfassen, lateral ist eine Bestimmung der Dotier­atom­konzen­tration in vergleichbarer Auflösung derzeit jedoch nicht möglich. Zudem ist die Methode werkstoff­zerstörend. Die Nahfeld­mikroskopie bietet hingegen in allen Dimensionen eine Auflösung im Nanometer­bereich. Sie arbeitet völlig zerstö­rungsfrei und kann unter normalen Umgebungs­bedingungen eingesetzt werden.

Die Nahfeldmikroskopie lässt sich in unterschiedlichen Bereichen einsetzen. Zum Beispiel kann die Methodik in enger Kooperation mit den Entwicklern neuer Halbleiter­bauelemente dabei helfen, die Prozess­parameter gezielt zu optimieren. In einem sehr frühen Entwicklungs­stadium können die physikalischen Vorgänge, insbesondere an den Grenz­flächen der einzelnen Schichten, durch die Analyse besser verstanden werden. Diese Erkenntnisse können schließlich die nach­folgenden Entwicklungs­schritte maßgeblich bestimmen. Auch im Bereich der Hochfrequenz- und Leistungs­elektronik findet das Bauelement GaN aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften immer weiter Einzug. Nahfeld­mikroskopische Analyse­verfahren sind für die Untersuchung dieser Materialien prädestiniert.

Fh.-ILT / OD

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