Februar 2020: Neues Rastermikroskop und Kathodolumineszenzspektrometer am IKZ installiert

Die Verbesserung neuartiger Halbleitermaterialien, die als aktive Materialien in Leuchtdioden oder Halbleiterlasern verwendet werden, erfordert das grundlegende Verständnis der Beziehung zwischen strukturellen und optischen Eigenschaften. Kathodolumineszenz im Rasterelektronenmikroskop ist eine der vielseitigsten Methoden zur Untersuchung optischer Eigenschaften mit einer räumlichen Auflösung bis zu 10 nm. Kathodolumineszenz, die Emission von Photonen bei Anregung durch beschleunigte Elektronen hat gegenüber optischen Verfahren den Vorteil, dass die Bandlücke der untersuchten Materialien nicht durch die Verfügbarkeit optischer Anregungsquellen begrenzt ist.

20 03 news www Das neue Rasterelektronenmikroskop (Apreo S HiVac von Thermo Fisher Scientific)

20 03 news wwwquadr Panchromatisches Kathodolumineszenzbild einer kohärent gewachsenen 20 nm dicken (Al, Ga) N-Schicht auf einem AlN-Substrat bei 300 K. Helle Linien entsprechen der Lumineszenz entlang der Stufenkanten, die die Fehlorientierung des Substrats von 0,1° vermitteln.

Die Sektion „Experimentelle Charakterisierung“ am IKZ untersucht den Zusammenhang zwischen strukturellen und optischen Eigenschaften von Halbleitern mittels modernster elektronenmikroskopischer Methoden. Die Sektion hat dazu in der Vergangenheit wichtige Beiträge auf dem Gebiet der III-Nitride geleistet. Um die Ausstattung auf dem neusten Stand zu halten und der Forschung neue  Möglichkeiten zu eröffnen hat das Institut im Rahmen einer größeren Investition ein Rastermikroskop und ein  Kathodolumineszenzspektrometer der neuesten Generation beschafft.


Das Rasterelektronenmikroskop (Apreo S HiVac von Thermo Fisher Scientific) verfügt über ein völlig neues Linsendesign mit drei In-Lens-Detektoren, die es erlauben, komplementäre Informationen mit einer Auflösung von bis zu 0,7 nm zu erhalten. Die völlig neu gestaltete Elektronenoptik des Mikroskops kombiniert eine elektrostatische Linse und eine magnetische Dispersionslinse, die kombiniert und entsprechend abgestimmt werden können. Dies ermöglicht auch die Abbildung von isolierenden Proben mit hoher räumlicher Auflösung. Der Rasttransmissionsdetektor ermöglicht die Untersuchung dünner Proben in Transmission mit einer Auflösung von 0,8 nm. Das Mikroskop bietet einen weiten Bereich von Emissionsströmen von bis zu 400 nA und ist mit einer He-Kühlstufe ausgestattet.


Das komplett neu entwickelte Gatan Monarc CL-Spektrometer verfügt über eine stark verbesserte optische Transmission, eine hohe Empfindlichkeit im tiefen UV-Bereich und eine spektrale Auflösung bis zu 0,1 nm. Drei Detektoren, ein CCD Detektor und ein Photomultiplier im UV und sichtbare Spektralbereich  und ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Photomultiplier decken den Wellenlängenbereich von 190 nm bis 1,7 um ab. Zwei austauschbare Spiegel mit Brennweiten von 10 mm und 5 mm ermöglichen ein weites Sichtfeld (10.000 µm²) bzw. eine hohe räumliche Auflösung (<10 nm).


Die Sektion wird diese neuen Möglichkeiten nutzen, um sich aktuellen Fragen von III-Nitride im tiefen UV und im roten Spektralbereich zuzuwenden. Fig. 1a zeigt als Beispiel ein monochromatisches Bild einer 20 nm dicken (Al, Ga) N-Schicht auf einem AlN-Substrat. Es sind Ga-reiche AlGaN-Inseln sichtbar, die sich entlang der Stufenkanten des abgeschnittenen Substrats ausrichten. Das Bild wurde bei Raumtemperatur aufgenommen. Solche Bilder bieten wertvolle Einblicke in den Wachstumsprozess solcher Schichten und werden helfen, diese im Hinblick auf UV-Emitter mit verbesserten Eigenschaften zu optimieren.

 

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