Spektroskopie

In der Arbeitsgruppe Spektroskopie liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Materialcharakterisierung mittels optischer Spektroskopie, im Wesentlichen der Photolumineszenz-Spektroskopie (PL). Es besteht aber auch die Möglichkeit, Elektrolumineszenz sowie Thermolumineszenz zu untersuchen.

In der PL wird die zu untersuchende Probe mit Licht (meist einem Laser) bestrahlt und das dabei generierte Leuchten, die Lumineszenz, spektral vermessen. Hierbei können Aussagen zur Bandlücken-Energie in Halbleitern und deren Nanokristallen gewonnen werden sowie weiterhin Informationen zum Gehalt an Fremd-/Dotierstoffen und Kristallgitter-Defekten, solange diese strahlende Rekombinationsübergänge erlauben. Über die Untersuchung temperaturabhängiger Veränderungen in der Lumineszenz-Intensität lässt sich auch ein Einfluss nicht-strahlender Defekte auf das Ladungsträger-Rekombinationsverhalten untersuchen. Mittels zeitaufgelöster Lumineszenz-Transienten lässt sich eine effektive Ladungsträger-Lebensdauer feststellen, welche im Vergleich zwischen verschiedenen Proben oder bei unterschiedlichen Temperaturen weitere Rückschlüsse zu relevanten Rekombinations-Kanälen im Material erlaubt.

Die Forschungs-Aktivitäten lassen sich verschiedenen Gebieten zuordnen, die im Folgenden aufgeführt sind.

 

Defektcharakterisierung massiver Halbleiterkristalle, z.B. GaN

Galliumnitrid (GaN) ist aufgrund seiner direkten und großen Bandlücke (ca. 3,45 eV bei Raumtemperatur) besonders für die Herstellung von Lasern und LEDs im blauen und ultravioletten Spektralbereich geeignet (Abb. 1). Wegen seiner hohen thermischen Stabilität sowie seiner hohen Durchbruchfeldstärke wird es außerdem in elektronischen Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperatur-Bauelementen eingesetzt.

Blau leuchtende LED

Punktdefekte (native Defekte, Verunreinigungen und Dotierstoffe) beeinflussen die optischen und elektronischen Eigenschaften der GaN-basierten Bauelemente stark. Dicke nominell undotierte GaN-Schichten sowie mit Übergangsmetallen dotierte Schichten werden optisch am Photolumineszenz (PL) -Messplatz untersucht. Verunreinigungen und Dotierstoffe verursachen häufig tiefe Defekte in der Bandlücke, über die Ladungsträger strahlend rekombinieren können. Temperaturabhängige PL-Messungen werden zur Analyse der beteiligten Defekte sowie deren Ionisierungsenergien und Rekombinationsmechanismen eingesetzt. Bei tiefen Temperaturen können Übergangsmetallverunreinigungen an charakteristischen internen Übergängen in den Defektzentren identifiziert werden.

Außerdem werden GaN/AlGaN-Übergitterstrukturen im PL-Labor vorcharakterisiert. Aufgrund der räumlichen Einschränkung der angeregten Ladungsträgerpaare (Exzitonen) wird deren Lumineszenz in diesen Strukturen zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben. In Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wurden zeitaufgelöste PL-Messungen zur Bestimmung der exzitonischen Lebensdauern durchgeführt.

Quellenangabe:

[1] https://www.dfg.de/dfg_magazin/aus_der_wissenschaft/archiv/nobelpreis_dossier_2014/physik_1/

Publikationen

Friederike Zimmermann, Jan Beyer, F. C. Beyer, G. Gärtner, I. Gamov, K. Irmscher, E. Richter, M. Weyers, Johannes Heitmann A carbon-doping related luminescence band in GaN revealed by below bandgap excitation Journal of Applied Physics 130 (2021) 055703, DOI:10.1063/5.0053940

E. Richter, Franziska C. Beyer, Friederike Zimmermann, G. Gärtner, K. Irmscher, I. Gamov, Johannes Heitmann, M. Weyers, G. Tränkle Growth and Properties of Intentionally Carbon‐Doped GaN Layers Crystal Research&Technology 2020 (2019) 1900129, DOI: 10.1002/crat.201900129

G. Lukin, T. Schneider, M. Förste, M. Barchuk, C. Schimpf, Christian Röder, Friederike Zimmermann, E. Niederschlag, O. Pätzold, Franziska C. Beyer, D. Rafaja, M. Stelter Heteroepitaxial growth of GaN on sapphire substrates by high temperature vapor phase epitaxy Journal of Crystal Growth 524 (2019) 125185, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125185

Friederike Zimmermann, G. Gärtner, Hendrik Sträter, Christian Röder, M. Barchuk, D. Bastin, P. Hofmann, M. Krupinski, T. Mikolajick, Johannes Heitmann, Franziska C. Beyer Green coloring of GaN single crystals introduced by Cr impurity Journal of Luminescence 207 (2019) 507-511, DOI: 10.1016/j.jlumin.2018.11.044

 

Ladungsträgerlebensdauern in wide bandgap Halbleitern

Wie lange Ladungsträger, welche über optische oder elektrische Anregung in ein Material oder Bauelement eingebracht wurden, darin als freie Ladungsträger zur Verfügung stehen, ist von grundlegender Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen. Für einige wie z.B. Hochfrequenz-Bauelemente soll diese Ladungsträgerlebensdauer möglichst kurz sein, für andere, wie z.B. Solarzellen, soll sie möglichst lang sein. Wir untersuchen mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz (TRPL) und Mikrowellendetektierter Photoleitfähigkeit (MDP bzw. µ-PCD) diesen Materialparameter in verschiedensten Materialsystemen, wie SiC, GaN und anderen Halbleitern.

Einen kurzen Einblick in das Projekt WIDE-MDP (Mikrowellendetektierte Photoleitfähigkeit an wide-bandgap-Halbleitern für die nächste Generation der Leistungs- und Optoelektronik) erhalten Sie gern als Video.

Publikationen

Jan Beyer, N. Schüler, J. Erlekamp, B. Kallinger, P. Berwian, K. Dornich, Johannes Heitmann, Minority Carrier Lifetime Measurements on 4H-SiC Epiwafers by Time-Resolved Photoluminescence and Microwave Detected Photoconductivity Materials Science Forum 963 (2019) 313-317, DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.963.313

 

Selten-Erd-Spektroskopie

Einige chemische Elemente erlauben auch interne strahlende Übergänge, z.B. einige Übergangs- oder Selten-Erd-Metalle, welche eine oft recht klare Identifikation ermöglichen, auch wenn sie in verschiedenen mineralischen Umgebungen eingebettet sind. Mittels ortsaufgelöster Photolumineszenz untersuchen wir Korrelationen lokaler Selten-Erd-Konzentrationen mit den Gesteinsstrukturen. Aber auch grundlegende Untersuchungen zur spektral selektiven Anregung von Selten-Erd-Lumineszenzen sowie zu temperaturabhängigen Quenching-Prozessen werden durchgeführt.

So wurde z.B. über drei Jahre hinweg in dem vom EIT RawMaterialsfinanzierten Verbundprojekt InSPECtor ein integriertes Spektroskopie-Sensorsystem für laserinduzierte Fluoreszenz- und hyperspektrale Bildgebung entwickelt. Mithilfe des neuartigen Sensorsystems ist eine effizientere berührungslose und zerstörungsfreie Kartierung geologischer Proben hinsichtlich der Selten-Erd-Verteilung mit hoher räumlicher Auflösung möglich. In einem Video bekommen Sie einen kurzen Einblick in das Projekt.

 

Publikationen

M. C. Fuchs, Jan Beyer, S. Lorenz, Suchinder K. Sharma, A. D. Renno, Johannes Heitmann, R. Gloaguen, A spectral library for laser-induced fluorescence analysis as a tool for rare earth element identification Earth System Science Data 13 (2021) 4465, DOI:10.5194/essd-13-4465-2021.

Suchinder K. Sharma, Thomas Behm, T. Köhler, Jan Beyer, R. Gloaguen, Johannes Heitmann Library of UV-Visible Absorption Spectra of Rare Earth Orthophosphates,
LnPO4 (Ln = La-Lu, except Pm)
Crystals 10 (2020) 593, DOI: 10.3390/cryst10070593

Suchinder K. Sharma, Jan Beyer, R. Gloaguen, Johannes Heitmann Comparing the optical properties and thermal stability of green (TbPO4), yellow (DyPO4), and red (PrPO4) emitting single crystal samples Phys. Chem. Chem. Phys. 22 (2020) 10247, DOI: 10.1039/D0CP01561J

Suchinder K. Sharma, Jan Beyer, R. Gloaguen, Johannes Heitmann Non-quenching photoluminescence emission up to at least 865 K upon near-UV excitation in a single crystal of orange-red emitting SmPO4 Phys. Chem. Chem. Phys. 21 (2019) 25669-25677, DOI: 10.1039/C9CP05663G

Suchinder K. Sharma, Th. Köhler, Jan Beyer, M. Fuchs, R. Gloaguen, Johannes Heitmann Extending the temperature sensing range using Eu3+ luminescence up to 865 K in a single crystal of EuPO4 Phys. Chem. Chem. Phys. 21 (2019) 16329-16336, DOI: 10.1039/C9CP03501J

Suchinder K. Sharma, M. Bettinelli, I. Carrasco, Jan Beyer, R. Gloaguen, Johannes Heitmann Dynamics of Charges in Superlong Blacklight-Emitting CaB2O4:Ce3+ Persistent Phosphor J. Phys. Chem. C 123 (2019) 14639-14646, DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b02210

P. Seidel, S. Lorenz, Th. Heinig, R. Zimmermann, R. Booysen, Jan Beyer, Johannes Heitmann, R. Gloaguen Fast 2D Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy Mapping of Rare Earth Elements in Rock Samples Sensors 19 (2019) 2219, DOI: 10.3390/s19102219

S. Lorenz, Jan Beyer, M. Fuchs, P. Seidel, D. Turner, Johannes Heitmann, R. Gloaguen The Potential of Reflectance and Laser Induced Luminescence Spectroscopy for Near-Field Rare Earth Element Detection in Mineral Exploration Remote Sensing 11 (2019) 21, DOI: 10.3390/rs11010021