Herstellung und Charakterisierung von amorphen (SiC)1-x(AlN)x:H-Filmen mittels DC-Magnetronzerstäubung und gepulster Laserabscheidung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die einkristallinen Verbindungshalbleiter SiC und AIN eignen sich wegen ihrer großen Bandlücken (ca. 3 eV und 6,2 eV) beispielsweise für optoelektronische Bauelemente im ultravioletten Spektralbereich. Das pseudobinäre System (SiC)1-x(AlN)x ermöglicht die Einstellung einer gewünschten Bandlücke („band-gap engineering"). Das entsprechende amorphe System zeichnet sich durch seine einfache und damit kostengünstige Herstellung aus und ermöglicht zum Beispiel eine Seltenerddotierung im Prozent bereich. Im ersten Projektteil wurde das Labor für MaterialWissenschaften an der Pontificia Univesidad Católica del Perú (PUCP) in Lima, Peru aufgebaut und in Betrieb genommen. Die für dieses Projekt wesentlichen Anlagen an der PUCP waren eine RF-Magnetronzerstäubungsanlage und ein Hochvakuum-Temperofen. Die ersten a-(SiC)1-x(AIN)x-Filme konnten durch Magnetronzerstäubung hergestellt und charakterisiert werden. In diesem Projektteil wurde die Aufbauarbeit an der PUCP fertiggestellt und systematisch die Züchtungsparameter von amorphen AIN, SiC und deren pseudobinären Verbindungen (SiC)1-x(AlN)x sowie deren Dotierung mit seltenen Erden, i. e. Terbium, Dysprosium und Europium ermittelt. Ausgangsmaterialien waren hochreine, (poly-)kristalline SiC und AIN-Targets, hergestellt an der Universität Erlangen, welche im Gegensatz zu den kommerziell erhältlichen Keramiktargets die Herstellung von amorphen Schichten in Halbleiterqualität gewährleisteten. Die Sputteranlage wurde mit drei flexiblen Magnetrons ausgestattet, welche unabhängig und gleichzeitig angesteuert werden konnten. Damit wurde gewährleistet, dass die Zusammensetzung der pseudobinären Verbindung (SiC)1-x((AlN)x eingestellt (SiC-Target und AIN-Target) werden konnte und gleichzeitig eine Dotierung mit den seltenen Erden erfolgen konnte. Die so hergestellten Filme waren im Überlappbereich weitestgehend homogen in Schichtdicke und Zusammensetzung. Die Zusammensetzung x wurde mit EDX bestimmt und konnte von 10% bis 90% variiert werden. Eine wesentliche Zielsetzung war die Bestimmung der Bandlücke in Abhängigkeit der Zusammensetzung und der Filmstruktur. Die Bandlücke wurde mit optischer Transmission bestimmt. Für die Auswertung der Transmissionssprektren wurde die Swanepoel-Methode für den stark absorbierenden Bandkantenbereich erweitert. Es konnten Bandkanten nach Tauc von 1.0 eV bis 5.6 eV für x=0 bis x=1 bestimmt werden. Die Filme wurden einem isochronen Temperverfahren ausgesetzt, d.h. Temperaturen von 300 bis 1000°C für ca. 20 min Temperzeit im Hochvakuum. Die Bandkantenverschiebung der jeweiligen Temperprozesse wurde systematisch vermessen. Nach jedem Temperschritt wurde die Seltenerdemission mittels Kathodolumineszens gemessen. Optimale Ausheilparameter konnten so bestimmt werden. Strukturell wurde mit XRD und mit HRTEM die Amorphizität bestimmt. Es stellte sich heraus, dass die Filme bis zu Ausheiltemperaturen von 1100°C amorph blieben. Lediglich für AlN-reiche Filme konnten grössere (ca. 50 nm Durchmesser) Nanokristalle nachgewiesen werden. Mit der Durchführung dieses Projektes wurde die bestehende Arbeitsgruppe an der PUCP im Bereich der Materialwissenschaften unterstützt und zusätzlich die Forschungskapazitäten durch Gerätespenden erheblich gesteigert (entwicklungspolitische Zielsetzung).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Bandgap engineering of the amorphous wide bandgap semiconductor (SiC)1-x(AlN)x doped with terbium and its optical emission properties." Mater. Science Eng. B 174 (2010) 114
R. Weingärtner, J.A. Guerra Torres, O. Erlenbach, G. Gálvez de la Puente, F. De Zela, A. Winnacker
- "Determination of the optical bandgap of thin amorphous (SiC)1-x(AlN)x films." Mater. Science Forum Vols. 645-648 (2010) 263
J.A. Guerra, A. Winterstein, O. Erlenbach, G. Gálvez, F. De Zela, R. Weingärtner, A. Winnacker
- "Determination of the sputter rate variation pattern of a silicon carbide target for radio frequency magnetron sputtering using optical transmission measurements." Mater. Science Eng. B 174 (2010) 127
G. Gálvez de la Puente, J. A. Guerra Torres, O. Erlenbach, M. Steidl, R. Weingärtner, F. De Zela, A. Winnacker
- "Quality control and electrical properties of thin amorphous (SiC)1-x(AlN)x films produced by radio frequency dual magnetron sputtering." Mater. Science Forum Vols. 645-648 (2010) 1199
G. Gálvez de la Puente, O. Erlenbach, J. A. Guerra Torres, T. Hupfer, M. Steidl, F. De Zela, R. Weingärtner, A. Winnacker
- "Thermal activation and cathodoluminescence measurements of Tb3+-doped a-(SiC)1-x(AlN)x thin films." Mater. Science Forum Vols. 645-648 (2010) 459
O. Erlenbach, G. Gálvez, J. A. Guerra, F. De Zela, R. Weingärtner, A. Winnacker
- "Determination of the optical bandgap and disorder energies of thin amorphous SiC and AIN films produced by radio frequency magnetron sputtering." J. Phys.: Conf Ser. 274 (2011) 012113
J. A. Guerra, L. Montanez, O. Erlenbach, G. Gálvez, F. De Zela, A. Winnacker, R. Weingärtner
- "Emission pattern of an aluminium nitride target for radio frequency magnetron sputtering." J. Phys.: Conf Ser. 274 (2011)012116
G. Gálvez de la Puente, S. Zitzlsberger, J. A. Guerra Torres, O. Erlenbach, R. Weingärtner, F. De Zela, A. Winnacker
