Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Verfahren zur Analyse von Galliumnitrid auf Nanometerskala für die industrielle Forschung

07.11.2014

Galliumnitrid gilt als schwer erzeug- und kontrollierbares Material. Es bildet das Herz der blauen Leuchtdioden, für deren Entwicklung der diesjährige Physik-Nobelpreis vergeben wurde.

Drei japanischen Wissenschaftlern gelang es erstmals, qualitativ hochwertige Schichten aus Galliumnitrid (GaN) zu erzeugen, die etwa 1993 in die Serienfertigung überführt wurden. Mit der Analyse und Verbesserung dieses Materials beschäftigen sich Wissenschaftler und Ingenieure weltweit.


Nahfeldmikroskop mit Bruchstück eines Galliumnitrid-Wafers.

Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen.

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT wurde in enger Kooperation mit dem I. Physikalischen Institut (IA) der RWTH Aachen University nun eine Analysemethodik entwickelt, mit deren Hilfe sich die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von GaN und GaN-Verbundstoffen erstmals optisch im Nanometerbereich untersuchen lassen.

Ob für Bildschirme von Smartphones, Computern und Fernsehern oder für die Beleuchtungsindustrie: Der Bedarf der Wirtschaft nach massentauglichen LEDs steigt stetig, nicht zuletzt deshalb, weil sie ein Vielfaches weniger an Energie benötigen als Glühlampen, Halogenleuchten und sogar Energiesparlampen.

Die Entwicklung der blauen Leuchtdiode bildet den letzten Baustein zu Erzeugung von warmweißem Licht auf LED-Basis. Erst dieses Licht wird als angenehm empfunden, wodurch die Akzeptanz der Technologie nicht zuletzt für Heimanwendungen deutlich zunimmt. Zur Entwicklung immer leistungsfähigerer Elemente ist dabei eine kostengünstige und schnelle Analysemethode unverzichtbar.

Optische Analysen im Nanometerbereich

Die Auflösung konventioneller optischer Mikroskope stößt bei Objekten im Nanometerbereich jedoch an ihre physikalischen Grenzen. Abhängig von der verwendeten Lichtquelle lassen sich kleine Strukturen im Nanometerbereich, wie sie unter anderem in modernen Halbleiterbauelementen vorliegen, nicht getrennt auflösen. Optische Analysen sind auf diesem Wege ausgeschlossen.

Die Methodik der Nahfeldmikroskopie umgeht diese grundlegende Beschränkung und dringt auf optischem Weg in den Nanometerbereich vor. Die Anforderungen an die verwendete Lichtquelle sind dabei extrem hoch.

Lasersystem aus Aachen für die Nahfeldmikroskopie von Galliumnitrid

Forscher des Fraunhofer ILT haben in Zusammenarbeit mit I. Physikalischen Institut (IA) der RWTH Aachen University dafür in den letzten Jahren ein neuartiges breitbandig durchstimmbares Lasersystem entwickelt, welches auf die speziellen Anforderungen von Halbleiteranalysen ausgerichtet ist. Die Wellenlänge lässt sich an das zu untersuchende Material anpassen, so dass eine Vielzahl an Materialien mit dem neuen System untersucht werden kann.

Im Vergleich zu den bislang kommerziell verfügbaren sowie den in Forschung und Entwicklung eingesetzten Systemen ermöglicht die Neuentwicklung aus Aachen deutlich schnellere spektroskopische Analysen. Zudem lassen sich nun auch weitere Materialsysteme erschließen, die mit den bisherigen Systemen noch nicht zugänglich waren. Dazu zählen unter anderen auch GaN und GaN-Verbundstoffe.

Mit dem neu entwickelten Analysesystem gelang es den Aachener Forschern vergangenes Jahr erstmals, Verspannungen in der Kristallstruktur von undotierten GaN-Wafern auf optischem Wege zweidimensional darzustellen. Mithilfe von Computersimulationen ließ sich zudem das Ausmaß der Verspannungen genau quantifizieren.

In jüngster Zeit wurde das Verfahren auch auf unterschiedlich dotierte GaN-Schichten in komplexen Strukturen übertragen. Damit steht erstmals ein optisches Verfahren zur Verfügung, mit dessen Hilfe sich sowohl die strukturellen als auch die elektronischen Eigenschaften von GaN und GaN-Verbundstoffen auf der Nanometerskala untersuchen lassen.

Kostengünstig, präzise und zerstörungsfrei

Die Nahfeldmikroskopie besitzt gegenüber den üblicherweise eingesetzten Analysemethoden wirtschaftliche und qualitative Vorteile. Beispielsweise werden strukturelle Eigenschaften dünner GaN-Schichten derzeit mithilfe der Transmission-Elektronen-Mikroskopie untersucht. Die Kosten hierfür sind allerdings unter anderem aufgrund der aufwändigen Probenpräparationen sehr hoch. Nahfeldanalysen lassen sich in der Regel ohne jegliche Vorbehandlung durchführen.

Bei der Untersuchung der elektronischen Eigenschaften kommt derzeit die Sekundärionen-Massenspektrometrie zum Einsatz. Axial lassen sich hiermit die elektronischen Eigenschaften im Nanometerbereich erfassen, lateral ist eine Bestimmung der Dotieratomkonzentration in vergleichbarer Auflösung derzeit jedoch nicht möglich. Zudem ist die Methode werkstoffzerstörend. Die Nahfeldmikroskopie bietet hingegen in allen Dimensionen eine Auflösung im Nanometerbereich. Sie arbeitet völlig zerstörungsfrei und kann unter normalen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.

Einsatzmöglichkeiten des Analysesystems

Die Nahfeldmikroskopie lässt sich in unterschiedlichen Bereichen einsetzen. Zum Beispiel kann die Methodik in enger Kooperation mit den Entwicklern neuer Halbleiterbauelemente dabei helfen, die Prozessparameter gezielt zu optimieren. In einem sehr frühen Entwicklungsstadium können die physikalischen Vorgänge, insbesondere an den Grenzflächen der einzelnen Schichten, durch die Analyse besser verstanden werden.

Diese Erkenntnisse können schließlich die nachfolgenden Entwicklungsschritte maßgeblich bestimmen. Auch im Bereich der Hochfrequenz- und Leistungselektronik findet das Bauelement GaN aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften immer weiter Einzug. Nahfeldmikroskopische Analyseverfahren sind für die Untersuchung dieser Materialien prädestiniert.

Ansprechpartner

Dr. Fabian Gaußmann
Messtechnik
Telefon +49 241 8906-489
fabian.gaussmann@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Prof. Thomas Taubner
I. Physikalisches Institut (IA)
Telefon +49 241 80 20260
taubner@physik.rwth-aachen.de
RWTH Aachen University


Weitere Informationen:

http://www.ilt.fraunhofer.de
http://www.rwth-aachen.de

Petra Nolis | Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

Terahertz spectroscopy goes nano

20.10.2017 | Information Technology

Strange but true: Turning a material upside down can sometimes make it softer

20.10.2017 | Materials Sciences

NRL clarifies valley polarization for electronic and optoelectronic technologies

20.10.2017 | Interdisciplinary Research