Materialcharakterisierung und Detektortechnologie

Elektrische Charakterisierung

M. Fiederle

Arbeitsgebiete und Forschungsziele

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIBS
Leitfähigkeitsmechanismen
Bestimmung des spezifischen Widerstands und Hall-Effekt
Identifikation von elektrisch aktiven Störstellen und Defekten
Photo-Elektronen-Spektroskopie XPS

Kurzzusammenfassung

Mit Hilfe der elektrischen Charakterisierung werden die Konzentration von Defekten und Dotierungen sowie ihre elektrischen Einflüsse gemessen. Die Bestimmung der Leitfähigkeitsmechanismen und der elektrischen Eigenschaften von Festkörpern, Dünnschichtsystemen und von Phasengrenzflächen können temperaturabhängig im Vakuum und unter inerten Bedingungen durchgeführt werden. Damit ergeben sich Aussagen zu Transportprozessen und Ladungsträger-Verteilungen.

Konzentration und Beweglichkeit von Ladungsträgern sowie die sich hieraus ergebende Leitfähigkeit werden durch die temperaturabhängige Messung des spezifischen Widerstands und des Hall-Effekts (van der Pauw) für Metalle, Halbleiter und semiisolierende Materialien bestimmt.

Die Bestimmung von Verunreinigungen (Elemente und Verbindungen) werden mittels Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIBS und Photoelektronenspektroskopie (X-Ray Photoelectron Spectroscopy XPS) durchgeführt. In Kombination mit einer Sputterquelle können auch Tiefen-Profile aufgenommen werden.

Instrumentelle Basis

Calvin-Probe: Temperaturabhängige Messungen der Leitfähigkeit und von Kennlinien.
Hallmessplatz: T von 77-350 K, Magnetfeld bis 1T, für spez. Widerstand von 10^-4 – 10¹¹ Ωcm.
Widerstandsmessungen TDCM: T von RT – 400 K, Ortsauflösung < 500 µm, Widerstandsbereich 10⁶ – 10¹² Ωcm.
Photoelektronenspektroskopie XPS
Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIBS

*Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)*

Technologielabor FMF

A. Fauler, M. Fiederle

Arbeitsgebiete und Forschungziele

Prozessierung von Halbleiterbauelementen GaAs, CdTe, GaSb, Pervoskites
Herstellung komplexer Detektorsysteme: Si, GaAs, (Cd,Zn)Te
Beschichtungen mit Metallen und Isolatoren
Oberflächenprofilierung

Kurzzusammenfassung

Das Technologielabor im FMF stellt die optimale Grundlage zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und Detektorsystemen dar. Der 40 m² große Reinraum in der Güteklasse 100 bzw. 10000 beinhaltet die notwendigen Geräte, um alle Schritte vom Halbleitermaterial bis zum Bauelemente im FMF durchzuführen. Durch den variablen und kompakten Aufbau ist man auch in der Lage, kleine Serien oder Einzelstücke zu prozessieren. Dabei werden nicht nur die Standardmaterialien wie Si oder GaAs bearbeitet, sondern gerade die Beschichtung und Prozessierung von neuen Materialien (Polymere, Halbleiter, Isolatoren) stellen einen wichtigen Aspekt im Serviceprogramm des FMF dar.

Instrumentelle Basis

Reinraumklasse (100/10000)
Photolithographie mit Strukturen im µm-Bereich
Profilometer
Elektronenstrahlquelle (Au, Pt, Ni, Ge, Cr)
Sputteranlage für Kontakte (Ti, Al, TiWo) und Passivierungen (SiO, SiO₂, Si₃N₄)
Plasmaionenätzer mit Argon, Stickstoff und Sauerstoff
Shinkawa Wirebonder – Ball-Wedge-Verfahren für Pitchgrößen bis zu von 50µm
Flip-Chip-Bonder
Reflow Solder Furnace

Röntgenbeugung

M. Fiederle

Arbeitsgebiet und Forschungsziele

Kristallstrukturanalyse
Phasenanalyse
Druck- und Temperaturverhalten von Festkörpern
Charakterisierung dünner Schichten

Kurzzusammenfassung

Die Röntgenbeugung erlaubt als Routinemethode die Charakterisierung kristalliner Phasen und Phasengemische. Unter Anwendung geeigneter Eichverfahren sind darüber hinaus Aussagen über eine quantitative Zusammensetzung von Gemischen sowie Korngrößenbestimmungen möglich. Durch die Möglichkeit von Untersuchungen an Pulverproben unter inerten Bedingungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken kann das Phasenverhalten von Festkörpern unter währenden Bedingungen studiert werden. Unterschiedliche Probenhalter erlauben die Untersuchung von Pulverproben in Transmissions-, Reflexions- und Kapillartechnik, wodurch Texturerscheinungen erkannt, entsprechend berücksichtigt bzw. ausgeschaltet werden können.

Die Ausrüstung mit Parallelstrahloptik (Göbelspiegel) erlaubt die Untersuchung dünner Schichten (auch von Mehrfachschichten) im streifenden Einfall. Dadurch kann eine Separierung der Diagramme einzelner Schichten sowie die Minimierung bzw. Ausblendung des Substratdiagramms erreicht werden. Mit der vorhandenen offenen Eulerwiege ist in Verbindung mit der Parallelstrahloptik auch die zerstörungsfreie Untersuchung von Werkstücken möglich. Die flexible Probenorientierung erlaubt Texturuntersuchungen zur Bestimmung von Orientierungsverteilungsfunktionen.

An Einkristallen und im beschränkten Maß auch an Pulverproben ist die Durchführung von Röntgenstrukturanalysen möglich, wodurch Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erkannt und gegebenenfalls zur Optimierung von Materialien genutzt werden können.

Instrumentelle Basis

Röntgendiffraktometer XRD (Rigaku Smartlab):

Pulverdiffraktometrie
Dünnschichtmetrologie
SAXS
Röntgenreflexionsmessungen
Hochauflösende Röntgenbeugung
Bestimmung der Paarverteilungsfunktion PDF

Laue-Kamera für die Analyse von Volumenkristallen

CT-Lab

M. Fiederle, S. Procz

Arbeitsgebiet und Forschungsziele

Energieaufgelöste Röntgenmessungen (Colored X-Ray Imaging)
Computertomographie (CT)

Kurzzusammenfassung

Die Computertomographie (CT) ist eine leistungsfähige Methode zur zerstörungsfreien Analyse von Materialien und ermöglicht die Untersuchung innerer Strukturen mit hoher Präzision. Besonders in Kombination mit hochauflösenden spektroskopischen Detektoren eröffnet die CT neue Möglichkeiten zur detaillierten Charakterisierung von Materialien und deren chemischer Zusammensetzung.

Die CT basiert auf der Aufnahme einer Vielzahl von Röntgenprojektionen eines Objekts aus verschiedenen Winkeln. Durch mathematische Rekonstruktion entsteht ein dreidimensionales Modell der inneren Struktur des Materials.

Herkömmliche CT-Scanner arbeiten meist mit energieintegrierenden Detektoren, die nur die Gesamtintensität der Röntgenstrahlung messen. Im Gegensatz dazu ermöglichen hochauflösende spektroskopische Detektoren eine detaillierte spektrale Analyse der durch das Material hindurchgehenden Strahlung. Diese Detektoren können einzelne Photonen erfassen und deren Energieverteilung analysieren. Die kann genutzt werden, um chemische Elemente im Material identifizieren. Es besteht eine verbesserte Kontrastdarstellung. Verschiedene Materialien mit ähnlichen Absorptionseigenschaften können durch ihre spektrale Signatur besser unterschieden werden.

Im FMF stehen unterschiedliche CT-Anlagen zur Verfügung, die eine Ortsauflösung von 50 µm bis zu 0,4 µm ermöglichen. Die Anlagen sind mit konventionellen Detektoren (Flatpanel) und spektroskopischen Detektoren (Medipix3 und Timepix3) ausgestattet.

Instrumentelle Basis

Nano-CT: Hochauflösende Anlage mit 0,4 µm Auflösung
CT-Portable: Tragbare CT-Anlage mit 50 µm Auflösung
Mini-CT: Mobile Anlage mit 5 µm Auflösung

Ansprechperson

Prof. Dr. Michael Fiederle

Wissenschaftliche und operative Leitung

michael@fiederle@fmf.uni-freiburg.de