ISBN 978-3-8439-3582-1

978-3-8439-3582-1, Reihe Physik

Matthias Hocker
Tiefenaufgelöste Kathodolumineszenz-Spektroskopie-Untersuchungen an nitridischen Halbleiterstrukturen

181 Seiten, Dissertation Universität Ulm (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Klassische Kathodolumineszenz im Rasterelektronenmikroskop (REM) zeichnet sich durch hohe Spektral- und Ortsauflösung aus. So lassen sich mikroskopische Kristalldefekte, wie basale Stapelfehler, anhand ihrer charakteristischen Lumineszenzenergie identifizieren oder Inhomogenitäten des Halbleitermaterials darstellen.

Die klassische, nur lateral ortsaufgelöste Kathodolumineszenz (KL) lässt sich um die Tiefenauflösung erweitern. Die Ausdehnung des Anregungsvolumens, insbesondere die Eindringtiefe in das Halbleitermaterial hinein, lässt sich durch Variation der Beschleunigungsspannung und somit der Primärelektronenenergie beeinflussen. Mit zunehmender Primärelektronenenergie tragen tiefer gelegene Halbleiterschichten zur Lumineszenz bei.

Numerische Monte-Carlo-Simulationen der Elektronenstreuung erlauben es, Größe und Form des Anregungsvolumens zu bestimmen. Mit den Ergebnissen einer solchen Simulation lässt sich jeder Messung bei einer bestimmten Primärelektronenenergie die korrelierende Eindringtiefe bestimmen.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit sind tiefenaufgelöste KL-Messungen. Um eine hohe Präzision der Tiefenauflösung zu erreichen, wird das vorgestellte Simulationsmodell ergänzt, sodass halbleiterspezifische Eigenschaften wie Bandlückenenergie, Exzitonendiffusion und Ladungsträgereinfang am Quantenfilm berücksichtigt werden. Die hierzu benötigten Diffusionslängen wurden in eigenen Messungen ermittelt.

Die Genauigkeit der tiefenaufgelösten KL wird eindrucksvoll an einer Ga(In)N-LED-Struktur demonstriert. Hochaufgelöste REM-Aufnahmen der Querschnittsfläche bestätigen die ermittelten Parameter.

Ein weiteres in dieser Arbeit beschriebenes Modell ermöglicht die numerische Bestimmung von Übergangsenergien basaler Stapelfehler unter besonderer Berücksichtigung der Konzentration freier Ladungsträger und der Kopplung benachbarter Defekte. Anhand der Blauverschiebung von Defektlumineszenz lässt sich so die Ladungsträgerkonzentration im Halbleiter auch bei komplexen Probenstrukturen mit hoher Ortsauflösung ermitteln.

In der Arbeit wird an einer Al(Ga)N-Quantenfilmstruktur gezeigt, dass es unter bestimmten Bedingungen sogar möglich ist, einzelne Quantenfilme mittels tiefen- oder semidreidimensional aufgelöster Kathodolumineszenz zu unterscheiden.

Ergänzt werden die genannten Messungen um Verfahren wie Mikro-Raman-Spektroskopie, Photoluminzenz, Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie und anderer spektroskopische Messtechniken.