LED-Produktion | Hochschule Ruhr West Mehr Kontrolle über LED-Emissionsspektrum für Hersteller

Aufbau im Photonik-Labor: Für die PL-Messung im laufenden LED-Produktionsprozess sind an industriellen Epitaxie-Anlagen nur enge optische Zugänge vorhanden.
Aufbau im Photonik-Labor: Für die PL-Messung im laufenden LED-Produktionsprozess sind an industriellen Epitaxie-Anlagen nur enge optische Zugänge vorhanden.

Ein Doktorand der Universität Duisburg-Essen hat eine neue Methode zur Überwachung von LED-Produktionsprozessen entwickelt. Statt nach der Produktion können die Emissionsspektren bereits im Fertigungsprozess kontrolliert und nachjustiert werden.

Die entwickelte Methode basiert auf Photolumineszenz (PL). Das Prinzip wird bereits ausführlich von LED-Herstellern genutzt, um ganz am Ende (Ex-situ) des Fertigungsprozesses das Emissionsspektrum zu prüfen.

Im Rahmen seiner Doktorarbeit hat Dr.-Ing. Christoph Prall dafür ein In-situ-Verfahren entwickelt. Da hier das Emissionsspektrum bei Fertigungstemperaturen von einigen hundert Grad ermittelt wird, ist zusätzlich ein Modell für den Übertrag auf Raumtemperatur notwendig, das Prall ebenfalls erstellte.

Hersteller können bereits nach dem Aufwachsen der ersten Halbleiterschichten das resultierende Emissionsspektrum einer LED mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich vorhersagen. Sollte es hier zu Abweichungen gekommen sein, könne laut Prall bei allen weiteren aufzuwachsenden Schichten eine Korrektur der Emissionswellenlänge vorgenommen werden. »Da bei einer LED-Struktur nur die obersten Schichten wesentlich zur Emission beitragen, könnte somit eine Echtzeit-Nachsteuerung realisiert werden«, zeigt Dr. Prall die Anwendungsmöglichkeiten auf S. 4 seiner Dissertation auf.

Gepulster Laser

Für PL-Messungen an GaN bei hohen Temperaturen wurden bisher kontinuierlich emittierende Argon-Ion-Laser und Helium-Cadmium-Laser verwendet. Der neu entwickelte Ansatz sieht einen gepulsten Neodym-YAG-Laser vor. Im Pulsbetrieb können kurzzeitig deutlich höhere Anregungsenergien schadfrei auf das GaN einwirken. So würden ausreichend hohe Messsignale generiert, um die PL-Methode auch an Standard-Industrieanlagen mit typischerweise sehr engen optischen Zugängen durchzuführen, so Prall.

Bedarf bei den LED-Herstellern

Die Temperatur ist ein kritischer Parameter während des Halbleiterwachstums von Gallium-Nitrid (GaN) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), das für LEDs üblicherweise benötigt wird. Sie beträgt rund 1000 °C und Schwankungen im Promillebereich führen bereits zu Abweichungen im Emissionsspektrum, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Aufgrund des Aufbaus der industriellen Fertigungsanlagen und der eingesetzten Materialien sind bisher keine Temperaturmessungen direkt an der Halbleiterschicht möglich, sondern lediglich am Probenträger des Wafers. Durch Effekte wie Substratverkrümmung kann es zu Temperaturabweichungen zwischen Träger und Halbleiterschicht kommen.

Kooperative Promotion

Die Forschung fand im Rahmen einer externen Promotion an der Universität Duisburg-Essen statt. Dr. Prall war einer von 14 kooperativen Promotionsstudenten der Hochschule Ruhr West. Als Industriepartner waren das Hochtechnologie-Unternehmen Laytec aus Berlin und der Epitaxie-Anlagenhersteller Aixtron in das Projekt eingebunden.

Die Doktorarbeit ist über den Online-Publikationsdienst der Universität Duisburg-Essen frei einsehbar.