kl_h150Im Labor für Kathodolumineszenzmikroskopie werden die Halbleiterstrukturen anhand der elektronenstrahlinduzierten Lumineszenz charakterisiert. Die Grundlage des Messverfahrens ist, dass bei dem Elektronenbeschuss im Halbleiter Ladungsträgerpaare generiert werden, deren zeit- und ortsabhängige Rekombinationen anhand der emittierten Strahlung (Kathodolumineszenz) untersucht werden können.

 
Technische Ausstattung

mszcl_cl_03_kl Das vorhandene KL-System basiert auf dem Rasterelektronen-mikroskop JEOL JSM6400 mit LaB6-Kathode. Die Probe wird an einem Helium-Kryostaten (erreichbare Temperaturen 4.2 - 300 K) befestigt und typischerweise um 45° zu dem Elektronenstrahl gekippt. Die untersuchte Stelle der Probe muss in einen Fokalpunkt des elliptischen Spiegels gebracht werden, der zweite Fokalpunt befindet sich an dem Eintrittsspalt des Monochromators. Mit Hilfe des Retikons wird das augesandte Lumineszenz-Spektrum vollständig registriert. Die dabei erreichte laterale Auflösung beträgt bis zu 45 nm und ist u.a. durch das Generationsvolumen der Elektron-Loch-Paare im Halbleiter begrenzt.

Neben den ortsaufgelösten Spektraluntersuchungen können auch zeitaufgelöste Lumineszenzuntersuchungen durchgeführt werden, um die Kinetik der Ladungsträgerrekombinationen (Lebensdauer, Relaxationszeiten, Streumechanismen, Einfangzeiten) zu bestimmen. Dazu wird der Elektronenstrahl durch rechteckförmigen Spannungspuls abgelenkt (Beam blanking). Dabei können Pulswiederholraten von 12 Hz bis 300 MHz und Pulslängen von weniger als 100 ps bis zu mehr als 10 ms verwendet werden. Die Zeitauflösung des Systems beträgt dabei 35 ps.


 

Die Kombination von REM und KL erlaubt es eine Reihe von orts-, zeit- oder temperaturabhängigen spektralen Charakteristiken von untersuchten Materialien zu ermitteln. Die Messergebnisse werden in der Form von Mappings dargestellt, wobei mehrere Charakteristiken aufgetragen werden können:

AlN_01kl AlN_02kl AlN_03kl AlN_04kl
REM-Bild Wellenlängenbild Integrales Energiespektrum Lokale Energiespektren

Hier ist die Verspannungsrelaxation an Rissen in Aluminiumnitrid-Schichten dargestellt, die als Ergebnis einer ortsaufgelösten Messung erhalten wurde.