A caracterização de semicondutores depende da fotoluminescência.

Hoje em dia, é impossível viver sem semicondutores. Eles são o motor que impulsiona as luzes LED, os monitores de computador e outras tecnologias. A maioria dos dispositivos eletrônicos utiliza semicondutores, principalmente os chips de computador.

A fotoluminescência (PL) é uma ferramenta poderosa para a caracterização de semicondutores em vários estágios do seu ciclo de vida. Isso inclui desenvolvimento, testes, controle de qualidade e análise de falhas.

A maioria dos dispositivos semicondutores modernos são materiais projetados a partir de estruturas multicamadas fabricadas em wafers. Estes são então cortados em dispositivos individuais. O processo de engenharia do material base, a fabricação dos wafers e a caracterização dos dispositivos fabricados a partir desses wafers dependem de técnicas como a fotoluminescência (PL).

Os fenômenos de fotoluminescência resultam da absorção de fótons de luz de excitação por materiais, elevando-os a um estado excitado. No caso de semicondutores, esses níveis geralmente estão acima da banda proibida do material. Quando a espécie excitada relaxa, libera esse excesso de energia na forma de luminescência ou emissão de fótons. A luz emitida costuma ser característica do material ou do ambiente ao seu redor, podendo inclusive fornecer informações sobre a dinâmica local em torno da espécie emissora.

A fotoluminescência (PL) é um processo inteiramente mediado por fótons, sendo, portanto, um método sem contato e não destrutivo para analisar materiais. Consequentemente, os fabricantes podem integrar a PL ao processo de produção sem destruir ou contaminar a amostra testada.

Os semicondutores modernos são materiais altamente projetados para exibir comportamentos específicos. Esses materiais geralmente são fabricados em diversos substratos por meio de processos epitaxiais, que empilham diferentes camadas de materiais umas sobre as outras. Os engenheiros constroem semicondutores a partir de pilhas de vários átomos. Esse processo possui tolerâncias muito rigorosas, e a fotoluminescência (PL) é uma ferramenta que pode ser usada para verificar se o que está sendo fabricado terá o desempenho esperado. A maneira como os átomos são empilhados, e quais átomos são empilhados, determina a função do que se obtém em última instância, desde células solares até LEDs.

Por exemplo, as lâmpadas LED em uma loja de materiais de construção têm cores diferentes. Algumas são brancas brilhantes, e outras têm um tom amarelado. Isso tudo se deve à engenharia de materiais, e a fotoluminescência (PL) ajuda a determinar quais partes do wafer são adequadas para as diversas fontes de luz.

A análise de desempenho (PL) oferece assinaturas únicas, fornecendo aos operadores informações sobre a qualidade e outras características. Ela permite que projetistas e fabricantes de dispositivos determinem, antes do processo de fabricação, quais partes do wafer atendem aos requisitos funcionais do dispositivo pretendido, antes mesmo de sua produção. Uma vez fabricado, a falha de um dispositivo em atender às expectativas de desempenho pode ser muito custosa – portanto, é muito mais econômico identificar e descartar dispositivos com desempenho insatisfatório logo no início do processo. A análise de desempenho é uma técnica fundamental para isso.

A fotoluminescência também é amplamente utilizada para análise de defeitos em semicondutores. Os defeitos geralmente são dopantes estranhos incorporados à matriz do material hospedeiro – intencionalmente ou acidentalmente – ou podem ser deformações estruturais do próprio material. Em ambos os casos, esses defeitos afetam a estrutura de bandas do material em que ocorrem. Como a fotoluminescência é, na verdade, uma medida da estrutura de bandas do material, ela serve como uma ferramenta útil para análise de defeitos tanto na engenharia de materiais quanto na fabricação e controle de qualidade de dispositivos.

“Muitos de nossos clientes industriais e de pesquisa usam nossos mapeadores de PL, como o MicOS (da HORIBA), principalmente no processo de determinação da homogeneidade do wafer e, em outros casos, para análise de defeitos”, disse Francis Ndi, Ph.D., Gerente de Linha de Produtos da Divisão de Espectroscopia Óptica HORIBA Scientific.

Um mapeador de PL típico, como o mapeador de PL HORIBA MicOS, funciona varrendo um feixe de laser de excitação focalizado sobre um wafer ou dispositivo e coletando o espectro de PL completo em milhares a milhões de pontos ao longo da estrutura. Vários parâmetros da emissão de PL podem ser exibidos, como mostrado na figura 1.

Fundamental para qualquer projeto de dispositivo semicondutor é o esforço de engenharia de materiais, para garantir que os materiais utilizados no dispositivo apresentem as propriedades adequadas que suportem o desempenho esperado. Esse trabalho geralmente se resume à engenharia da estrutura de bandas, portanto, a fotoluminescência (PL) é obviamente uma técnica analítica essencial nessa etapa.

Na fase de pré-produção, os fabricantes utilizam a fotoluminescência (PL) para ajustar com precisão o processo de fabricação do wafer, caracterizando aspectos como a homogeneidade do processo de deposição ou a presença e localização de defeitos introduzidos intencionalmente ou não.

Os técnicos utilizam a PL na etapa final para realizar o controle de qualidade e garantir que o desempenho do dispositivo seja consistente em diferentes lotes de fabricação. A PL também é usada para verificar e manter a estabilidade e a robustez do próprio processo de fabricação – uma ferramenta para monitorar e garantir que as tolerâncias, muitas vezes rigorosas, exigidas para a fabricação correta do dispositivo sejam mantidas.

Por fim, a PL também é fundamental na análise de dispositivos com defeito, que ainda fazem parte do controle de qualidade. Um dispositivo pode falhar em campo. Uma seção do seu monitor pode não funcionar corretamente. Isso pode acontecer em nível industrial ou até mesmo em uma agência como a NASA, onde a falha de um dispositivo pode ser muito cara. Os pesquisadores usam a PL para entender por que o componente falhou, para que possam corrigi-lo nas etapas de desenvolvimento ou fabricação.

HORIBA oferece o Espectrômetro Óptico para Microscópio MicOS, parte de suas Soluções Padrão para Espectroscopia em Microscópio (SMS), para realizar essas e outras análises. Trata-se de uma plataforma de microespectrômetro modular, versátil e com excelente custo-benefício para fotoluminescência em estado estacionário e de tempo de vida.

O MicOS combina uma cabeça de microscópio personalizada de alto rendimento com um espectrômetro de imagem de alto desempenho com tripla grade de difração, que pode acomodar até três detectores diferentes. HORIBA pode personalizar o MicOS com diversas fontes de luz e detectores para atender às necessidades da pesquisa em questão. O MicOS integra microscopia e espectroscopia de fotoluminescência, proporcionando um acoplamento ideal desde a amostra até o detector.