HZB-Patent zur Halbleitercharakterisierung geht in die Serienproduktion

Der patentierte Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen. Auf dem Foto sieht man den mittleren Spalt, an dem das Spektrum bereits zerlegt ist, die Zwischenlinse und das zweite Prisma mit grünen Reflexen im Hintergrund.

Der patentierte Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen. Auf dem Foto sieht man den mittleren Spalt, an dem das Spektrum bereits zerlegt ist, die Zwischenlinse und das zweite Prisma mit grünen Reflexen im Hintergrund. © T. Dittrich / HZB

Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau des Monochromators aus verschiedenen optischen Elementen.

Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau des Monochromators aus verschiedenen optischen Elementen. © HZB

Ein HZB-Team hat mit Freiberg Instruments einen innovativen Monochromator entwickelt, der nun auf den Markt kommt. Das Gerät ermöglicht es, die optoelektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien kontinuierlich und rasch mit hoher Präzision zu erfassen, und zwar über einen breiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Dabei wird Streulicht effizient unterdrückt. Die Innovation ist für die Entwicklung neuer Materialien interessant und auch einsetzbar, um industrielle Prozesse besser zu kontrollieren.

Elektronik, Leistungselektronik, Leuchtdioden, Sensoren, Photokatalyse bis hin zur Photovoltaik, diese Technologien basieren auf Halbleitern mit Bandlücken vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Haltleitermaterialien mit interessanten optoelektronischen Eigenschaften werden beständig neu entwickelt und weiterentwickelt. Dabei benötigt man insbesondere für die spektralabhängige photoelektrische Charakterisierung halbleitender Materialien Lichtquellen, deren Photonenenergie sich kontinuierlich variieren lässt. Solche Lichtquellen bestehen aus einer Lampe, die Licht über einen weiten Spektralbereich emittiert, und einem Monochromator, mit dem man Licht in engen Spektralbereichen herausfiltert. Kommerziell gelangen bislang nur Monochromatoren mit Beugungsgittern zum Einsatz, wobei bis zu 5 verschiedene Beugungsgitter für die Abdeckung weiter Spektralbereiche notwendig sind.

Patentierter Monochromator

Am HZB hat nun ein Team um Dr. Thomas Dittrich zusammen mit HEREON einen spiegellosen Doppelprismen-Monochromator basierend auf Quarzglas entwickelt. Da Quarzglas in einem Spektralbereich von etwa 0.4 bis über 7.3 eV transparent ist, lässt sich Licht mit nur einem Quarzglasprisma über diesen Bereich spektral zerlegen. Ein erster Prototyp wurde zusammen mit Freiberg Instruments realisiert. Der neuartige, inzwischen patentierte, Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen, wobei neben der dispersionsabhängigen Drehung der Prismen auch eine präzise Einstellung der Linsen über Schrittmotoren erfolgt. Eine lasergetriebene Xenon-Lampe sorgt für hohe Lichtintensitäten auch im tiefen Ultraviolett.

Rasche Charakterisierung

Der neue Monochromator ermöglicht es, optoelektronische und optische Eigenschaften halbleitender Materialien in einem einzigen kontinuierlichen Messvorgang über einen sehr breiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett zu erfassen. Ein weiterer Vorteil:  Das Streulicht wird dabei sehr stark (um über acht Größenordnungen) unterdrückt, was den Monochromator insbesondere für die photoelektrische Charakterisierung von Defekten in Halbleitern prädestiniert. Aufgrund der hohen Intensität bis ins tiefe Ultraviolett hinein eignet sich der Monochromator auch hervorragend für die Charakterisierung von Halbleitermaterialien mit großen oder ultragroßen Bandlücken wie Siliziumkarbid und Galliumoxid für Hochleistungselektronik, Diamant für IT-Technologien und Galliumnitrid für Optoelektronik. So konnten mit Hilfe des neuen kompakten Monochromators erstmals Defektzustände über den nahezu gesamten Bereich der Bandlücke von Aluminiumnitrid innerhalb nur weniger Minuten charakterisiert werden.

Große Verbesserung

Der neue Monochromator verbessert die Charakterisierung elektronischer Eigenschaften insbesondere von Halbleitern mit großer und ultragroßer Bandlücke. Damit ist diese Innovation nicht nur für die Forschung und Entwicklung von neuen Materialien relevant sondern lässt sich auch in Prozessentwicklung und industrieller Prozesskontrolle einsetzen. In Zusammenarbeit mit Freiberg Instruments haben die HZB-Forscher bereits einen Prototypen realisiert und im Fachjournal Applied Optics sowie auf Fachtagungen vorgestellt. Freiberg Instruments will diesen kompakten Monochromator nun in Serie fertigen. „Das Interesse ist groß und der Bedarf ist da“, sagt Thomas Dittrich.

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiert
    Science Highlight
    02.12.2024
    Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiert
    Ein internationales Team hat an BESSY II erstmals beobachtet, wie schwere Moleküle (Bromchlormethan) in kleinere Fragmente zerfallen, wenn sie Röntgenlicht absorbieren. Mit einer neu entwickelten Analysemethode gelang es ihnen, die ultraschnelle Dynamik dieses Prozesses sichtbar zu machen. Dabei lösen die Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ aus: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse, die von einem Katapult abgeschossen werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – sich deutlich langsamer trennen.
  • Protonen gegen Krebs: Neue Forschungsbeamline für innovative Strahlentherapien
    Nachricht
    27.11.2024
    Protonen gegen Krebs: Neue Forschungsbeamline für innovative Strahlentherapien
    Das HZB hat gemeinsam mit der Universität der Bundeswehr München eine neue Beamline für die präklinische Forschung eingerichtet. Sie ermöglicht künftig am HZB Experimente an biologischen Proben zu innovativen Strahlentherapien mit Protonen.
  • Batterieforschung mit dem HZB-Röntgenmikroskop
    Science Highlight
    18.11.2024
    Batterieforschung mit dem HZB-Röntgenmikroskop
    Um die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.