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.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Ziel der Arbeit ist die Konstruktion, der Bau und die Erprobung einer Mikro-Photolumineszenz-Apparatur (Mikro-PL), um die räumliche Auflösung herkömmlicher PL-Messungen signifikant zu verbessern. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie durch den Einsatz dieser neuen Apparatur die optische Charakterisierung von Halbleitern und Mineralen, insbesondere bei der Untersuchung mikroskopischer Strukturen und Prozessspuren, optimiert werden kann.
- Entwicklung einer hochauflösenden Mikro-PL-Apparatur zur zerstörungsfreien Materialcharakterisierung.
- Untersuchung des Einflusses von Temperprozessen auf die Homogenität von Indiumphosphid-Halbleitern.
- Analyse von Micropipes in Siliziumkarbid-Proben mittels verbesserter optischer Auflösung.
- Untersuchung der IR-Lumineszenz in Feldspat-Mischtypen zur Korrelation mit der chemischen Zusammensetzung.
- Integration einer präzisen Motorsteuerung in die existierende LabView-Umgebung zur automatisierten Topographie-Erstellung.
Auszug aus dem Buch
4.1 Photolumineszenz als Messmethode
Der prinzipielle Aufbau einer PL-Apparatur soll anhand Abb. 3 beschrieben werden. 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).
Über einen Kollimatorspiegel gelangt das Emissionslicht auf das Gitter. Bei vollständiger Ausleuchtung ist die durch das Gitter bedingte spektrale Auflösung maximal (s. (6)). 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.
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 ωR und Frequenz des von der Probe emittierten Lichts ωS (14).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Definitionen und Abkürzungen: Bietet ein Glossar der wichtigsten Fachbegriffe und Abkürzungen, die im Kontext der Arbeit verwendet werden.
2 Motivation: Erläutert die Bedeutung der Mikroelektronik und die Notwendigkeit fortschrittlicher Charakterisierungsmethoden für Halbleitermaterialien.
3 Grundlagen: Vermittelt theoretische Kenntnisse zur Halbleiterphysik, Lumineszenz und zur Physik der Photolumineszenz in Proben.
4 Bau einer Mikro-PL-Apparatur: Beschreibt den Aufbau der Apparatur, die Vorüberlegungen, die konstruktive Umsetzung sowie aufgetretene technische Herausforderungen und Lösungen.
5 Anwendungen der Mikro-PL: Präsentiert die praktische Erprobung der Apparatur an den Materialien Indiumphosphid, Siliziumkarbid und Feldspäten zur Analyse von Defekten und Materialeigenschaften.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse der Konstruktion und Anwendung zusammen und gibt einen Ausblick auf künftige Forschungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Mikro-PL, Photolumineszenz, Halbleiterphysik, Indiumphosphid, Siliziumkarbid, Feldspäte, Defektinventar, Charakterisierungsmethode, Ortsauflösung, LabView, Temperprozess, Micropipes, IR-Lumineszenz, Materialcharakteristika
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Konzeption, der praktischen Konstruktion und der anschließenden Erprobung einer Mikro-Photolumineszenz-Apparatur (Mikro-PL), um die Analyse von Halbleitern und Mineralen mit höherer räumlicher Auflösung zu ermöglichen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentral sind die optische Charakterisierung von Materialien mittels Photolumineszenz, der Bau optischer Messaufbauten sowie die Untersuchung von Defekten und Prozessspuren in Indiumphosphid, Siliziumkarbid und Feldspäten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist der Aufbau eines Systems, das in der Lage ist, mikroskopische Strukturen (im Bereich einiger Mikrometer) auf Oberflächen zu untersuchen, was mit der zuvor genutzten Makro-PL-Apparatur nicht möglich war.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt die Photolumineszenz-Spektroskopie und -Topographie als zerstörungsfreie Messmethoden, ergänzt durch softwaregestützte Automatisierung mittels LabView zur Erstellung räumlich aufgelöster Messdaten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Beschreibung des Aufbaus der Mikro-PL-Apparatur und die detaillierte Anwendungsanalyse an verschiedenen Probenmaterialien, inklusive Auswertung und Vergleich der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Mikro-PL, Halbleitercharakterisierung, Defektanalytik, räumliche Auflösung und Prozessoptimierung beschreiben.
Wie wirkt sich die Mikroröhren-Struktur in Siliziumkarbid auf die Bauteilqualität aus?
Sogenannte Micropipes können als Ursache für strukturelle und elektrische Inhomogenitäten dienen, die die Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen massiv beeinträchtigen und bis hin zum Totalausfall führen können.
Warum ist die Untersuchung von Feldspäten für die Geologie relevant?
Feldspäte zeigen eine spezifische Infrarot-Lumineszenz, die in der Geologie für Datierungsmethoden genutzt wird; eine präzisere optische Kartierung hilft, Zusammenhänge zwischen ihrer chemischen Zusammensetzung und diesen Lumineszenzeigenschaften besser zu verstehen.
- Arbeit zitieren
- Denise Reichel (Autor:in), 2008, Entwicklung, Bau und Erprobung einer Mikro-PL-Apparatur, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/204810
