In-situ Photolumineszenz
LEDs gelten als umweltfreundliche Beleuchtungstechnik. Für die Massenanwendung arbeiten die LED-Hersteller weltweit an einer Senkung der Kosten bzw. einer Erhöhung der Ausbeute, insbesondere beim aufwändigen Herstellungsprozess der LED-Wafer. Die auf dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN) basierenden LEDs werden dabei in der Regel mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) produziert. Die MOVPE-Prozessparameter, wie z.B. die Temperatur, müssen hierbei genau kontrolliert werden. Variationen der Wafertemperatur von nur einigen Kelvin (K) während des Wachstums der aktiven Zone (InGaN) übertragen sich direkt in kritische Schwankungen der von den LEDs emittierten Wellenlängen und mindern so die Ausbeute.
Für die Überwachung und Regelung der Wafertemperatur ist die konventionelle Infrarot-Pyrometrie eher ungeeignet, da alle Materialien des LED-Wafers (GaN, InGaN, Saphir) im IR-Bereich transparent sind. Dadurch ist nur die Temperatur der Wafer-Auflage (Suszeptor) messbar, die aber typischerweise signifikant von der Wafertemperatur abweicht. Die Temperatur der Waferoberfläche selbst kann allerdings über die thermische Emission bei 400 nm gemessen werden (Pyrometrie im nahen UV-Bereich). Diese Detektionswellenlänge im nahen UV-Bereich ist für die Pyrometrie geeignet, weil GaN bei Wachstumstemperatur für diese Wellenlänge undurchsichtig (absorbierend) ist.
In diesem Projekt wird der Ansatz verfolgt, die eigentlich zu kontrollierende Größe bei der LED-Waferherstellung – die Emissionswellenlänge – direkt zu messen. Als neuartiges Messverfahren wird die in-situ-Photolumineszenzmessung (PL) der LED-Struktur, also eine Messung während des Schichtwachstums, untersucht und entwickelt. Hierdurch wird es möglich, zum frühestmöglichen Zeitpunkt die charakteristische Lichtemission der LED-Wafer bei Wachstumstemperatur zu bestimmen und Rückschlüsse auf die Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur zu ziehen.
Bisher kann diese Informationen erst nach dem Wachstumsprozess erfasst werden – eine direkte Korrektur ist somit nicht mehr möglich. Im Falle der Messung mittels in-situ-Photolumineszenz ist auch eine direkte Korrektur über die Anpassung der Wachstumsparameter möglich. Das in-situ-PL-Messverfahren hat das Potential, die Qualität und Ausbeute der LED-Herstellung deutlich zu steigern. Neben rein wirtschaftlichen Vorteilen kommen auch Vorteile bzgl. der Ressourcennutzung und der Energieeinsparung zum Tragen.
Das Forschungsprojekt wird in Kooperation mit der LayTec AG Berlin, einem der weltweit führenden Unternehmen für in-situ-Messverfahren für die Halbleiterindustrie, durchgeführt. Das Projekt wird im Rahmen eines über drei Jahre geförderten ZIM KF Projektes (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie öffentlich gefördert.
Bisherige wichtige Veröffentlichungen zu diesem Projekt:
- C. Prall, Photolumineszenz bei hohen Temperaturen aus epitaktisch wachsenden Nitrid-Halbleiterschichten zur In-situ-Materialcharakterisierung, Dissertation Universität Duisburg-Essen, 2018 (mit Auszeichnung, summa cum laude).
- C. Prall, C. Kaspari, A. Knauer, K. Haberland, M. Weyers, D. Rueter, In-situ photoluminescence measurements during MOVPE of GaN and InGaN in a CCS reactor, Technisches Messen 84 (2017) no 11.
- C. Prall, D. Erni, D. Rueter, Analysis of the Efficient High-Temperature in Situ Photoluminescence from GaN Layers during Epitaxial Growth, Condensed Matter, 2 (2017).
- C. Prall, K. Haberland, C. Kaspari, F. Brunner, M. Weyers, D. Rueter, Process control of MOCVD growth for LEDs by in-situ Photoluminescence, Proc. of SPIE, San Francisco, United States, 9768 (2016) 97681A-97681A-7.
- J-T. Zettler, K. Haberland, C. Kaspari, D. Rueter, C. Prall, Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Schichteigenschaft sowie Verfahren zum Herstellen einer LED, DE Patent 10 2015 205 555.8, 2015.
- C. Prall, C. Kaspari, F. Brunner, K. Haberland, M. Weyers, D. Rueter, In-situ photoluminescence measurements during MOVPE growth of GaN and InGaN MQW structures, Journal of Crystal Growth, 415 (2015) 1-6.
- C. Prall, M. Ruebesam, C. Weber, M. Reufer, D. Rueter, Photoluminescence from GaN layers at high temperatures as a candidate for in situ monitoring in MOVPE, Journal of Crystal Growth, 397 (2014) 24-28.
