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 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. Hiermit 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.

Halbleiter-Defektspektroskopie - Punktdefektcharakterisierung in SiC, GaN, AlN und ternären Verbindungshalbleitern mittels optischer Spektroskopie

Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN) sowie weitere darauf basierende Verbindungshalbleiter sind aufgrund ihrer direkten und großen Bandlücke besonders für die Herstellung von Lichtemittern im blauen und ultravioletten Spektralbereich geeignet. Wegen einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit sowie einer hohen Durchbruchfeldstärke werden sie außerdem in elektronischen Hochleistungs- und Hochfrequenz-Bauelementen eingesetzt.

Punktdefekte (native Defekte, Verunreinigungen und Dotierstoffe) im Halbleitermaterial beeinflussen die optischen und elektronischen Eigenschaften der Bauelemente stark. Am Photolumineszenz (PL) -Messplatz werden sowohl dicke Kristalle (in der Größenordnung von Millimetern Dicke) als auch dünne Schichten (in der Größenordnung von Mikrometern oder darunter) mit verschiedenen Dotierstoffen untersucht. Diese verursachen häufig tiefe Defekte in der Bandlücke, über die Ladungsträger strahlend oder auch nicht-strahlend rekombinieren können, was die Ladungsträgerlebensdauer und damit die Funktionalität des späteren Bauelements beeinflusst. Temperaturabhängige PL-Messungen werden zur Analyse der beteiligten Defekte sowie deren Aktivierungsenergien und Rekombinationsmechanismen eingesetzt. Bei tiefen Temperaturen können insbesondere Übergangsmetallverunreinigungen an charakteristischen internen Übergängen in den Defektzentren identifiziert werden.

Quanteneigenschaften von Defektzentren in Halbleitern

Aktuell steht die Untersuchung von Eigenschaften einzelner Quantensystem, wie z.B. Defektzentren in Halbleitern, stark im Fokus hinsichtlich ihrer Eignung zur Erzeugung, Verarbeitung, Übertragung oder Speicherung von Quanteninformationen, also als Quantenbit – Qubit. Hier arbeiten wir an der Charakterisierung von Punktdefekten in Halbleitern großer Bandlücke, insbesondere Diamant und AlN. Aber auch die Entwicklung von Nanodiamant-Schichten zur Nutzung bekannter Qubit-Zentren, z.B. des Stickstoff-Leerstellen-(NV)-Zentrums in Diamant, für optische Magnetfeld-Sensor-Anwendungen, bilden einen Teil unserer Arbeiten.

Weitere kontaktlose Halbleitercharakterisierungsmethoden

Wie lange Ladungsträger, welche über optische oder elektrische Anregung in ein Material oder Bauelement eingebracht wurden, darin als frei bewegliche 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. Mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz (TRPL) und Mikrowellendetektierter Photoleitfähigkeit (MDP bzw. µ-PCD) kann dieser Materialparameter in verschiedensten Halbleitermaterialsystemen bestimmt werden. Insbesondere mittels der MDP kann auch die Photoleitfähigkeit bestimmt werden, die eine Brücke von den optischen zu den kontaktgebundenen elektrischen Messmethoden der Leitfähigkeit schlägt.

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

Im Rahmen eines Verbundprojektes mit mehreren weiteren Partnern aus Forschungseinrichtungen und aus der Industrie arbeiten wir auch an der Entwicklung einer kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung mittels Terahertz-Spektroskopie.

Rohstoff-/Recycling-Materialcharakterisierung

Bei der Rohstoffgewinnung aber auch im Recyclingprozess ist es wesentlich, verschiedene Elemente oder Stoffe kontaktlos, schnell und spezifisch erkennen zu können, um sie anschließend effizient sortieren und weiter verarbeiten zu können.

Einige chemische Elemente erlauben 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 werden Korrelationen lokaler Selten-Erd-Konzentrationen mit den Gesteinsstrukturen bestimmt. 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 RawMaterials finanzierten Verbundprojekt InSPECtor - ein integriertes Spektroskopie-Sensorsystem für laserinduzierte Fluoreszenz- und hyperspektrale Bildgebung entwickelt. Mithilfe des neuartigen Sensorsystems ist eine effiziente 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.

In der Folge konnte innerhalb des Verbundprojektes „RAMSES-4-CE - Raman, Absorption and eMission Spectroscopy in an intEgrated Sensor for the Circular Economy” dieses System um einen Raman-Sensor erweitert werden, welcher viele Materialien, die insbesondere in Recycling-Stoffströmen auftreten, sicher erkennen kann. Hierbei stand auch die effiziente Datenverarbeitung eines solchen Multi-Sensor-Systems mittels Machine Learning mit im Vordergrund.

Die Idee der spektroskopischen Materialerkennung im Recyclingbereich wird fortgeführt im Projekt DIGISORT, in welchem verschiedene optische Methoden angewandt werden, die eine Differenzierung zwischen den anfallenden Materialklassen nach mechanischer Zerkleinerung der zu recycelnden Li-Ionen-Batterien ermöglichen. Hier kommen u.a. Hochgeschwindigkeits-RGB-Kameras zum Einsatz sowie Objekterkennung mittels Machine Learning.