Hoy en día no se puede vivir sin semiconductores. Es el motor que impulsa luces LED, pantallas de ordenador y otras tecnologías. La mayoría de la electrónica emplea semiconductores, especialmente chips informáticos.
La fotoluminiscencia (PL) es una herramienta poderosa para la caracterización de semiconductores en las distintas etapas de su ciclo de vida. Eso incluye desarrollo, pruebas, control de calidad y análisis de fallos.
La mayoría de los dispositivos semiconductores modernos son materiales diseñados a partir de estructuras multicapa fabricadas sobre obleas. Estos se dividen en dispositivos individuales. El proceso de ingeniería del material base, fabricación de las obleas y caracterización de los dispositivos fabricados a partir de estas obleas depende de técnicas como la PL.
Los fenómenos de fotoluminiscencia resultan de que los materiales absorben fotones de luz de excitación y se elevan a un estado excitado. En el caso de los semiconductores, estos niveles suelen estar por encima de la banda prohibida del material. Cuando las especies excitadas se relajan, liberan este exceso de energía en forma de luminiscencia o emisión de fotones. La luz emitida suele ser característica tanto del material como de su entorno, e incluso puede proporcionar información sobre la dinámica local alrededor de las especies emisoras.
PL es un proceso completamente mediado por fotones, por lo que es un método sin contacto y no destructivo para sondear materiales. Por lo tanto, los fabricantes pueden integrar PL en el proceso de producción sin destruir ni contaminar la muestra analizada.
Los semiconductores modernos son materiales altamente diseñados para mostrar ciertos comportamientos definidos. Estos materiales suelen fabricarse sobre diversos sustratos mediante procesos epitaxiales que apilan diferentes capas de materiales unas sobre otras. Los ingenieros construyen semiconductores a partir de pilas de varios átomos. Este proceso tiene tolerancias muy estrictas, y PL es una herramienta que puede usarse para verificar que lo que se fabrica funcionará como se espera. La forma en que apilas los átomos, y qué átomos acumulas, determina la función de lo que finalmente obtienes, desde las células solares hasta los LEDs.
Por ejemplo, las luces LED en una tienda de artículos para el hogar tienen colores diferentes. Algunos son de un blanco brillante y otros tienen un tono amarillento. Todo eso es ingeniería de materiales, y PL ayuda a determinar qué partes de la oblea son adecuadas para las distintas fuentes de luz.
PL ofrece firmas únicas, proporcionando a los operadores información sobre calidad y otras características. Permite a los diseñadores y fabricantes de dispositivos determinar, antes del proceso de fabricación, qué partes de la oblea cumplen con los requisitos funcionales del dispositivo previsto antes de que se fabriquen realmente. Una vez fabricado, el fallo de un dispositivo para cumplir con las expectativas de rendimiento puede ser muy costoso, por lo que es mucho más barato determinar y descartar los dispositivos que no funcionan desde el principio del proceso. PL es una técnica clave para hacer esto.
La fotoluminiscencia también se utiliza ampliamente para el análisis de defectos en el análisis de semiconductores. Los defectos suelen ser dopantes extraños que están incrustados en una matriz de material huésped, ya sea por diseño o por accidente, o pueden ser deformaciones estructurales del propio material. En cualquier caso, estos defectos afectan a la estructura de bandas del material en el que se encuentran. Dado que PL es realmente una medida de la estructura de bandas del material, sirve como una herramienta útil para el análisis de defectos tanto en ingeniería de materiales como en la fabricación y control de calidad de dispositivos.
"Muchos de nuestros clientes industriales y de investigación utilizan nuestros mapadores PL como el MicOS de (HORIBA) principalmente en el proceso de determinar la homogeneidad de las obleas y, en otros casos, para el análisis de defectos", dijo Francis Ndi, Ph.D., director de línea de producto de la División de Espectroscopía Óptica de HORIBA Scientific.
Un mapador PL típico, como el HORIBA MicOS PL mapper, funciona escaneando un haz láser de excitación enfocado sobre una oblea o dispositivo y recogiendo el espectrómetro PL completo en miles o millones de puntos a lo largo de la estructura. Se pueden mostrar varios parámetros de la emisión de PL, como se muestra en la figura 1
La base de cualquier proyecto de dispositivo semiconductor es el esfuerzo de ingeniería de materiales, para asegurar que los materiales utilizados en el dispositivo presenten las propiedades adecuadas que respalden el rendimiento esperado del dispositivo. Este trabajo a menudo se reduce a la ingeniería de estructuras de bandas, por lo que PL es obviamente una técnica analítica clave en esta etapa.
A nivel de preproducción, los fabricantes utilizan PL para afinar el proceso real de fabricación de obleas caracterizando consideraciones como la homogeneidad del proceso de deposición o la presencia y localización de defectos introducidos intencionada o no.
Los técnicos utilizan PL en la fase final para realizar el control de calidad y asegurar que el rendimiento del dispositivo sea consistente entre diferentes lotes de fabricación. PL también se utiliza para comprobar y mantener la estabilidad y robustez del propio proceso de fabricación, una herramienta para monitorizar y asegurar que se mantienen las tolerancias a menudo estrictas necesarias para la correcta fabricación del dispositivo.
Por último, PL también es clave en el análisis de dispositivos fallidos, que sigue siendo parte del control de calidad. Un dispositivo puede fallar en el terreno. Una sección de tu monitor puede que no aparezca correctamente. Podría ocurrir a nivel industrial, o incluso en una agencia como la NASA, donde fallar un dispositivo puede ser muy costoso. Los investigadores utilizan PL para entender por qué falló el componente, de modo que puedan corregirlo en las fases de desarrollo o fabricación.
HORIBA ofrece el MicOS Microscope Optical Spectrometer, parte de sus Soluciones Estándar de Espectroscopía de Microscopio (SMS), para realizar estos y otros análisis. Es una plataforma modular, versátil y rentable para microespectrómetros para fotoluminiscencia en estado estacionario y de por vida.
El MicOS combina un cabezal de microscopio de alto rendimiento personalizado con un espectrómetro de imagen de triple rejilla de alto rendimiento que puede acomodar hasta tres detectores diferentes. HORIBA puede personalizar el MicOS con diversas fuentes de luz y detectores para cumplir con los requisitos de la investigación en cuestión. El MicOS combina microscopía y espectroscopía de fotoluminiscencia para proporcionar un acoplamiento óptimo desde la muestra hasta el detector.
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