04 Dez Jetzt in Serie: Monochromator für präzise Halbleitercharakterisierung
Am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat ein Team um Dr. Thomas Dittrich einen Monochromator entwickelt, der die optoelektronischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien kontinuierlich und rasch mit hoher Präzision zu erfassen soll, und zwar über einen weiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Ein entscheidender Vorteil ist laut HZB die effiziente Unterdrückung von Streulicht, was die Genauigkeit der Messungen erhöht. Das Gerät geht nun in die kommerzielle Serienproduktion.
Der Monochromator basiert auf einem spiegellosen Doppelprismen-Design aus Quarzglas, das im Spektralbereich von etwa 0,4 bis über 7,3 eV transparent ist. Dies ermöglicht die spektrale Zerlegung des Lichts mit nur einem Prisma. Der Monochromator besteht aus einer Quarzglasoptik mit zwei Prismen und einigen Linsen. Neben der dispersionsabhängigen Drehung der Prismen erfolgt auch eine präzise Einstellung der Linsen über Schrittmotoren. Eine lasergetriebene Xenonlampe sorgt für hohe Lichtintensitäten auch im tiefen Ultraviolett.
Defekte in großen und ultragroßen Bandlücken
Dank der starken Streulichtunterdrückung (um mehr als acht Größenordnungen) eignet sich der Monochromator insbesondere für die fotoelektrische Charakterisierung von Defekten in Halbleitern. Aufgrund der hohen Intensität bis ins tiefe Ultraviolett lässt er sich für die Charakterisierung von Halbleitermaterialien mit großen oder ultragroßen Bandlücken wie Siliziumkarbid und Galliumoxid für Hochleistungselektronik, Diamant für IT-Technologien und Galliumnitrid für Optoelektronik einsetzen. Mithilfe des kompakten Monochromators konnten nach Angaben der Forschenden erstmals Defektzustände über nahezu die gesamte Bandlücke von Aluminiumnitrid innerhalb nur weniger Minuten charakterisiert werden.
Nach Auskunft von Thomas Dittrich besteht ein großes Interesse an dem Monochromator, der Anwendern in Industrie und Forschung als leistungsfähiges Werkzeug bei der Untersuchung und Weiterentwicklung neuer Halbleitermaterialien dienen soll. Die Serienproduktion beim Industriepartner Freiberg Instruments soll das Gerät künftig für den breiten Einsatz in verschiedenen Technologiefeldern verfügbar machen.
Wo Monochromatoren benötigt werden
Von der Elektronik und Leistungselektronik über Leuchtdioden, Sensoren und die Fotokatalyse bis hin zur Photovoltaik beruhen moderne Technologien auf Halbleitern mit Bandlücken vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett. Immer wieder werden Halbleitermaterialien mit interessanten optoelektronischen Eigenschaften neu und weiterentwickelt. Dabei benötigt man insbesondere für die spektralabhängige fotoelektrische Charakterisierung halbleitender Materialien Lichtquellen, deren Photonenenergie sich kontinuierlich variieren lässt. Solche Lichtquellen bestehen aus einer Lampe, die Licht über einen weiten Spektralbereich emittiert, und einem Monochromator, mit dem man Licht in engen Spektralbereichen herausfiltert. Kommerziell gelangen bisher nur Monochromatoren mit Beugungsgittern zum Einsatz, wobei bis zu fünf verschiedene Beugungsgitter notwendig sind, um weite Spektralbereiche abzudecken. Der neue spiegellose Doppelprismen-Monochromator ermöglicht es, optoelektronische und optische Eigenschaften halbleitender Materialien in einem einzigen kontinuierlichen Messvorgang über einen sehr weiten Spektralbereich vom nahen Infrarot bis ins tiefe Ultraviolett zu erfassen.
Originalpublikation
[T. Dittrich, S. Fengler and M. Franke: Mirrorless fused silica based double-prism monochromator for continuous measurements from the near infrared to deep ultraviolet; Applied Optics 63 (26) 2024. DOI: 10.1364/AO.529366]
Bild: T. Dittrich/HZB
Quelle: www.helmholtz-berlin.de
