Vorlesung 1 (2011).cdr
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Vorlesung “Charakterisierung von Halbleitermaterialien I” 1. Einführung Materials for Electronics and Energy Technology Begriffsbestimmung / Themenabgrenzung Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1. Einführung Metalle: Halbleiter: keine Bandlücke Bandlücke+Dotierung – Begriffsbestimmung / Themenabgrenzung – Wo wird Charakterisierung eingesetzt? Strukturelle Eigenschaften – Klassifizierung der Eigenschaften – Eigenschaften vs. Methoden – Beispiele Û Isolatoren: keine Dotierung Elektronische Eigenschaften – Gliederung der Vorlesung (c) 2011 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen 1. Einführung 1. Einführung Begriffsbestimmung / Themenabgrenzung Metalle: polykristallin (Gefüge) Halbleiter: meist Einkristalle (aber auch amorph oder organisch) Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Isolatoren: polykristallin (Keramik) Einfache atomare Struktur Einfluss geringster Änderungen Exakte Beschreibung (Halbleiterphysik) Hohe Anforderungen an die Charakterisierung Halbleiter und Kristallstruktur Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1. Einführung 1. Einführung Halbleiter und Kristallstruktur Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Halbleiter und Kristallstruktur Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Koordinationspolyeder Wurzit-Flächen hcp-Struktur Wurzit (P63mc) fcc-Struktur Zinkblende (F43m) Zinkblende-Flächen Elemente (Si, Ge): Diamantstruktur (Fd3m) Ternäre Systeme (CuInS2): Chalkopyritstruktur (P42m) 1. Einführung Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann „Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum quantitativen Vergleich der Messgröße mit einer Einheit“ – Die zu messende Größe muss eindeutig definiert sein – Die Einheit muss vereinbart oder durch Konvention festgelegt sein (z.B. Si-Einheiten) Output (Ergebnis) hcp-Struktur Wurzit (P63mc) fcc-Struktur Zinkblende (F43m) Zinkblende-Flächen Elemente (Si, Ge): Diamantstruktur (Fd3m) Ternäre Systeme (CuInS2): Chalkopyritstruktur (P42m) 1. Einführung Was ist eine Messung? Input (Arbeit) Wurzit-Flächen „Eine Messung sagt etwas bestimmtes aus“ ® Erkenntnisgewinn – Aber immer nur über einen Teil des Gesamten – Eignung des Messverfahrens? Störgrößen, Verfälschung, ... – Wir sind auch nur Menschen! Fehler, Missverständnis, ... – Beobachtung, Protokollierung, Auswertung ® Sinn – Kritische Hinterfragung des Gemessenen! Was ist Charakterisierung von Halbleitern? Qualitätssicherung zu untersuchendes Halbleitermaterial Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Forschung/ Entwicklung Charakterisierung Festkörper-/Halbleiterphysik und -chemie 1. Einführung 1. Einführung Wo wird Charakterisierung eingesetzt? Qualitätssicherung Forschung/ Entwicklung Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Stimmen die Eigenschaften des Materials mit den Normen und Spezifikationen überein? In der Qualitätssicherung: – Kontrolle im Produktionsprozess (in situ) – Stichproben nach der Fertigung (ex situ) – Fehleranalyse / Reverse Engineering Einkristall Substrat – Kristallinität – Durchmesser – Oberfläche – Defekte – el. Widerstand Stimmen die tabellierten / berechneten Werte mit den Eigenschaften des Materials überein? – Eigenschaften neuartiger Materialien – Herstellung von Material mit spez. Eigenschaften – Prüfung auf Eignung für Produktionsprozesse 1. Einführung Epitaxieschicht – Schichtdicke – Defekte – Dotierung – el. Homogenität – Ladungsträgereigenschaften Strukturelle Eigenschaften Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Bauelement – Lithographie – Therm. Eigensch. – Kontaktwiderstand – el. Leistungsdaten – U-I-Kennlinie – anwendungsbez. Eigenschaften Elektrische Eigenschaften 1. Einführung Materialdaten – Tabellenwerke Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Tabellenwerke für Forschung und Entwicklung: – Landolt-Börnstein Zahlenwerte und Funktionen aus Naturwissenschaft und Technik Gruppe III: Kristall- und Festkörperphysik, Bände 17 und 22 (Halbleiter) Gruppe IV: Makroskopische und technische Eigenschaften der Materie Band 5: Phasengleichgewichte, kristallographische und thermodynamische Daten – Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie Bände sortiert nach Elementen (alphabetisch in de Verbindung) mit jeweils Kapiteln zu: Gewinnung und Darstellung, Physikalische Eigenschaften, Chemisches Verhalten – INSPEC Series z.B. J. H. Edgar, S. Strite, I. Akasaki, H. Amano, and C. Wetzel (eds.), Properties, Processing and Applications of Gallium Nitride and Related Semiconductors (INSPEC, IEE, London 1999). – Bücher z.B. M. E. Levinshtein, S. L. Rumyantsev, and M. S. Shur (eds.), Properties of Advanced Semiconductor Materials: GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe (Wiley, Toronto, Canada, 2001). – Internet Wo wird Charakterisierung eingesetzt? z.B. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/ Materialdaten – Tabellenwerke Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1. Einführung 1. Einführung Materialdaten – Tabellenwerke Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Klassifizierung der Eigenschaften Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann ...in Tabellenwerken – grundlegende physikalische Eigenschaften – möglichst unabhängig vom Herstellungsverfahren – möglichst Idealwerte, in der Realität aber eine Zusammenstellung “vertrauenswerter” Literaturdaten ...anwendungsbezogen – was ist kritisch in meinem Herstellungsprozess? – was fordert der Kunde (Spezifikation, Modetrend, ...)? – was kann ich einfach, schnell und zerstörungsfrei messen? – womit kann ich mich profilieren? Grundfrage: Was messe ich wie? 1. Einführung 1. Einführung Klassifizierung der Eigenschaften Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann dielektrische Eigenschaften Fermienergie, Niveaus in der Bandlücke Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann dielektrische Eigenschaften optisch Phononen, thermische Eigenschaften Fermienergie, Niveaus in der Bandlücke elektrisch Halbleitermaterialien Punktdefekte, Liniendefekte, Stapelfehler Klassifizierung der Eigenschaften Habitus, Phasen makroskopische Defekte spezielle Eigenschaften piezoelektrisch, magnetisch, supraleitend, ... Phononen, phononisch thermische Eigenschaften Halbleitermaterialien mechanisch chemisch strukturell Punktdefekte, Liniendefekte, Stapelfehler Habitus, Phasen makroskopische Defekte spezielle Eigenschaften sonstig piezoelektrisch, magnetisch, supraleitend, ... 1. Einführung 1. Einführung Klassifizierung der Eigenschaften Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Klassifizierung der Eigenschaften Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Charakterisierung ist so vielfältig, dass man keine konsequente Klassifizierung vornehmen kann! Strukturelle Eigenschaften (Struktur, Defekte, Oberfläche) Strukturbestimmung (Röntgenmethoden, Ätzen) Optische und dielektrische Eigenschaften Bildgebende Verfahren (Mikroskopie) – Unterschiedliche Eigenschaften eines Materials basieren auf den gleichen physikalischen Grundlagen weitere optische Methoden – Eine Eigenschaft kann mit unterschiedlichen Methoden untersucht und bestimmt werden Elektrische Eigenschaften (Punktdefekte, Bandlücke) Chemische Eigenschaften (Phasen, Stöchiometrie) Û Elektrische Methoden Chemische und “QuasiChemische” Methoden Mechanische Eigenschaften Phononische Eigenschaften Mechanische/Thermische Methoden 1. Einführung – Eine Methode (Verfahren) kann Aussagen zu unterschiedlichen Eigenschaften liefern – Ein Messaufbau kann mit unterschiedlichen Methoden verschiedene Eigenschaften untersuchen 1. Einführung Eigenschaften vs. Methoden – Beispiele Beispiel 1 - Eigenschaften Phononische Eigenschaften – Phononenenergien Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann Optische Methoden – Ramanstreuung – FT-IR Spektroskopie (Reststrahlenband) 18 Eigenschaften vs. Methoden Beispiel 2 - Methoden Optische Absorption IR E2 (high) Elektrische Methoden counts/1000 [a.u.] Intensität 12 10 A1 (TO) 8 6 E1 (TO) E2 (low) A1 (LO) – Geschw. akustischer Wellen – Mobilität bei hohen Temp. E1 (LO) 4 2 0 200 300 400 500 600 700 Raman shift [1/cm] 800 900 1000 Energie bzw. Frequenz – Streuung von/an Phononen hW hW e e e e Thermische Methoden – Wärmeleitfähigkeit – spezifische Wärme Leitungsband hW hn 16 14 Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann UV hn’ a – Reststrahlenband a b – Absorption freier Ladungsträger c – Störstellenionisation d – Intraschalenübergänge e – Donator-Akzeptor-Übergänge f – Exzitonische Übergänge g – Fundamentale Absorption h – Bestimmung der Zustandsdichte Valenzband b c d e f g h 1. Einführung 1. Einführung Eigenschaften vs. Methoden – Beispiele Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann – Sekundärelektronendetektor – Rückstreuelektronendetektor – Kathodolumineszenz – Elektronenbeugung (Kikuchi-Linien) – Röntgenspektrometrie (EDX) – Auger-Spektroskopie – Induzierte Ströme (EBIC) – Abbildung elektrischer Potentiale (Test der Bauelementfunktion) Charakt Hableiter-Mat Matthias Bickermann 1 Einleitung 1 2 Bildgebende Verfahren 4 Bildgebende Verfahren (Mikroskopie) 3 Strukturbestimmung (Röntgenmethoden, Ätzen) 2 Strukturbestimmung (Röntgenmethoden, Ätzen) 4 Optische Spektroskopie 3 Optische Methoden 5 (Röntgen- und Elektronenspektroskopie, Massenspektrometrie, weitere Verfahren) Chemische und “QuasiChemische” Methoden 6 Elektrische Messungen Beispiel 3 - Messaufbauten Rasterelektronenmikroskop Gliederung der Vorlesung (Elektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, optische Verfahren) (Absorption, Lumineszenz, Raman-Spektroskopie, IR-Spektroskopie) Chemische Dotierstoffanalyse Elektrische Methoden (Wiederstands- und Hallmessungen, elektrische Spektroskopie) 2 2 14 Doppelstunden
