Messverfahren für LED-Struktur

ZIM KF Projekt: In-situ Photolumineszenz.

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Mülheim a.d.R. LEDs gelten als umweltfreundliche Beleuchtungstechnik. Für die Massenanwendung arbeiten die LED-Hersteller weltweit an einer Senkung der Kosten bzw. einer Erhöhung der Ausbeute, insbesondere beim aufwändigen Herstellungsprozess der LED-Wafer. Die auf dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN) basierenden LEDs werden dabei in der Regel mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) produziert. Die MOVPE-Prozessparameter, wie z.B. die Temperatur, müssen hierbei genau kontrolliert werden. Variationen der Wafertemperatur von nur einigen Kelvin (K) während des Wachstums der aktiven Zone (InGaN) übertragen sich direkt in kritische Schwankungen der von den LEDs emittierten Wellenlängen und mindern so die Ausbeute.

Weitere Umstände

Für die Überwachung und Regelung der Wafertemperatur ist die konventionelle Infrarot-Pyrometrie eher ungeeignet, da alle Materialien des LED-Wafers (GaN, InGaN, Saphir) im IR-Bereich transparent sind. Dadurch ist nur die Temperatur der Wafer-Auflage (Suszeptor) messbar, die aber typischerweise signifikant von der Wafertemperatur abweicht. Die Temperatur der Waferoberfläche selbst kann allerdings über die thermische Emission bei 400 nm gemessen werden (Pyrometrie im nahen UV-Bereich). Diese Detektionswellenlänge im nahen UV-Bereich ist für die Pyrometrie geeignet, weil GaN bei Wachstumstemperatur für diese Wellenlänge undurchsichtig (absorbierend) ist.

Messung während Schichtwachstum

In diesem Projekt wird der Ansatz verfolgt, die eigentlich zu kontrollierende Größe bei der LED-Waferherstellung – die Emissionswellenlänge – direkt zu messen. Als neuartiges Messverfahren wird die in-situ-Photolumineszenzmessung (PL) der LED-Struktur, also eine Messung während des Schichtwachstums, untersucht und entwickelt. Hierdurch wird es möglich, zum frühestmöglichen Zeitpunkt die charakteristische Lichtemission der LED-Wafer bei Wachstumstemperatur zu bestimmen und Rückschlüsse auf die Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur zu ziehen.

Potenzielle Outcomes

Bisher kann diese Informationen erst nach dem Wachstumsprozess erfasst werden – eine direkte Korrektur ist somit nicht mehr möglich. Im Falle der Messung mittels in-situ-Photolumineszenz ist auch eine direkte Korrektur über die Anpassung der Wachstumsparameter möglich. Das in-situ-PL-Messverfahren hat das Potential, die Qualität und Ausbeute der LED-Herstellung deutlich zu steigern. Neben rein wirtschaftlichen Vorteilen kommen auch Vorteile bzgl. der Ressourcennutzung und der Energieeinsparung zum Tragen.

Das Forschungsprojekt wird in Kooperation mit der LayTec AG Berlin, einem der weltweit führenden Unternehmen für in-situ-Messverfahren für die Halbleiterindustrie, durchgeführt. Das Projekt wird im Rahmen eines über drei Jahre geförderten ZIM KF Projektes (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie öffentlich gefördert.

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