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Photolumineszenz bei hohen Temperaturen aus epitaktisch wachsenden Nitrid-Halbleiterschichten zur In-situ-Materialcharakterisierung

Prall, Christoph

Photolumineszenz (PL) aus Halbleiterstrukturen liefert Informationen bezüglich verschiedener Materialparameter wie z.B. Bandlücke, Schichtdicke sowie Temperatur. PL-Messungen werden klassischerweise erst ex situ und somit nach dem Produktionsprozess vorgenommen. Wird eine derartige PL-Messung während der Epitaxie einer Halbleiterstruktur und den damit verbundenen hohen Wachstumstemperaturen durchgeführt, erlaubt dies eine quasi-kontinuierliche In-situ-Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften dieser Struktur zum frühestmöglichen Zeitpunkt, also noch in der Produktionsphase. Hierdurch wird eine In-situ-Optimierung der Prozessparameter ermöglicht, welche bei einer Ex-situ-Messung nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst theoretisch und dann anhand praktischer Messungen an industrienahen Epitaxie-Anlagen erstmals eine quasi-kontinuierliche In-situ-PL-Messung am Beispiel von wachsenden Nitrid-Halbleiterstrukturen. Über zeitaufgelöste PL-Messungen wird ein temperaturabhängiger Quenching-Mechanismus bei Gallium-Nitrid (GaN) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) aufgezeigt, welcher den Einsatz von gepulsten Lasern als PL-Anregungsquelle bei hohen Wachstumstemperaturen einer Epitaxie erforderlich macht. Mit In-situ-PL-Messungen können hierdurch erstmals verschiedene Parameter einer gerade wachsenden Halbleiterschicht charakterisiert werden. Neben der Bestimmung der Temperatur und der Schichtdicke einer wachsenden, auf InGaN basierten LED-Struktur wird auch die Möglichkeit demonstriert, in einem frühen Stadium des Wachstums einer LED-Struktur ihre spätere Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur vorherzusagen, und dies mit einer Genauigkeit von ± 1,3 nm (2σ). Diese Arbeit zeigt somit neben den industriell etablierten Messtechniken, wie z.B. pyrometrische Verfahren, eine weitere Möglichkeit zur Prozessüberwachung einer Epitaxie auf.

Photoluminescence (PL) from semiconductor structures provides information regarding different material parameters, such as bandgap, layer thickness, and temperature. PL-measurements, in general, are used ex-situ and thus only after the production process. If such a PL-measurement is implemented during the epitaxy of a semiconductor structure with the linked high growth temperatures, a quasi-continuous in-situ characterization of this structure’s optoelectronic properties is feasible at the earliest possible stage, thus therefore still in the production phase. Through this, in-situ optimization of the process parameters can be realized, which is not a given with an ex-situ measurement. The present thesis deals with the new approach of a quasi-continuous in-situ PL-measurement via growing nitride semiconductor structures. This will initially be done on a theoretical basis, while then substantiating these findings with practical measurements of industrial epitaxy systems. Time-resolved PL-measurements demonstrate a temperature-dependent quenching mechanism for both gallium-nitride (GaN) and indium-gallium-nitride (InGaN). This requires the use of pulsed lasers as a PL excitation source at the high growing temperatures of an epitaxy. Hereby, with an in-situ PL-measurement, different parameters from a growing semiconductor structure can be characterized. In addition to the determination of both the temperature and the layer thickness of a growing LED structure that is based on InGaN, it is possible to predict the future emission wavelength at room temperature during the growth of the LED at an early stage. This is achievable with an accuracy in the range of ± 1,3 nm (2σ). This thesis, in addition to describing industry-established measurement technologies such as pyrometric methods, offers an additional possibility for epitaxy process monitoring.

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Prall, Christoph: Photolumineszenz bei hohen Temperaturen aus epitaktisch wachsenden Nitrid-Halbleiterschichten zur In-situ-Materialcharakterisierung. 2018.

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