21.04.2017 | Magazin:

Recipe for tiny 3D light-emitting diodes Focus on research: "QuantumFrontiers"

(See german Version below)

Like she does most mornings, Jana Hartmann exchanges her street shoes for white clogs, puts on white overalls and latex gloves and dons a medical cap. Then she enters “her realm”: the clean room at the Institute for Semiconductor Technology, on the 10th floor of the TU tower block on Hans-Sommer-Straße. Any kind of dirt is taboo here, hence the protective clothing. Then the electronic engineer resumes work on her doctorate.

Jana Hartmann, Research Fellow at the Institute of Semiconductor Technology of the TU Braunschweig. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Jana Hartmann, Research Fellow at the Institute of Semiconductor Technology of the TU Braunschweig. Credit: Jonas Vogel/TU Braunschweig

Inside the clean room is a machine – taller than a man, several metres long and made of gleaming stainless steel – for metalorganic vapour-phase epitaxy, also lovingly called “MOVPE”. “I have just finished writing a new recipe. I want to start this quickly, so that it will be done by tonight”, the researcher says. No need to add that this is not about the invention of a cool new chocolate cake or other culinary delight. During MOVPE, Hartmann combines various gases to create tiny three-dimensional light-emitting diodes – 3D LEDs for short. They are tiny walls of gallium nitride, thinner than a single human hair.

Recipe for light-emitting diodes

“3D LEDs have an extra-large surface and are thus able to emit more light”, she explains. In the future, they may become much more efficient than conventional, planar LEDs, and might be used in highly-sensitive sensors, and in lighting and laser technologies.

Hartmann displays her recipe on the MOVPE unit’s screen. It sets out which ingredients will be added, when and at what temperature or pressure. Ammonia is used, along with chemical compounds containing either gallium, indium or silicon. At the heart of the machine is a stainless-steel reactor the size of a coffee maker. It is located in the glovebox, a glass-fronted box from which arm-length rubber gloves protrude. “The glovebox contains pure nitrogen, to keep oxygen and other substances in the air from disrupting the deposition process”, the researcher explains.

She slips her hands into the gloves, reaches inside the glovebox and opens the reactor’s lid. A rotary disk similar to the ones found in microwaves becomes visible. It can hold wafers with two inch in diameter, called templates, and can be heated to over 1,000°C. Once the lid is closed, the reaction gases flow from the reactor lid onto the templates – like from a shower head – and react chemically to form a gallium nitride crystal.

An in-house product

The templates themselves are also produced here at the Institute for Semiconductor Technology. They consist of a transparent sapphire wafer with a gallium nitride layer, plus a silicon oxide layer with holes or razor-thin slits above that. The LEDs grow in these slits like walls or “fins”, as they are called here at the institute. “I have been researching fin LEDs made of gallium nitride for two years now”, says Hartmann. Before that, she mainly used to deposit tiny columns. Fins, however, are much stronger and have an even larger surface relative to the wafer’s dimensions. “The reason for this is mainly that 3D LEDs cannot be placed as close to one another as we would like”, she explains.

These wafers are coated with epitaxy to build up three-dimensional LED structures. Credit: Andrea Hoferichter/TU Braunschweig

These wafers are coated with epitaxy to build up three-dimensional LED structures. Credit: Andrea Hoferichter/TU Braunschweig

During MOVPE, the fin LEDs first grow in height and then in width. Around the gallium nitride core, a shell is deposited that contains, among other things, indium gallium nitride. The quantity of indium determines the wavelength and thus the colour of the LED’s light.

To get started, Hartmann places new templates onto the reactor’s rotary disk, closes the lid, once more checks the settings on the machine’s monitor, and then presses “Run”. The process begins. It will take a good 6 hours to complete. In the meantime, the researcher examines older samples under the scanning electron microscope and makes them emit light by means of a process called cathodoluminescence. “This allows me to see the 3D LEDs’ properties quite well: for example, how high and wide they ended up being and how much indium they contain”, she says.

A 3D microscope for diabetes research

A few months from now, Jana Hartmann will write up the results of her experiments in her doctoral thesis. And after that? “Then I can fully dedicate my time to leading a junior research group within the QUANOMET research alliance”, she comments. The group works on diabetes research in the broadest sense of the term. The team plans to develop a small, inexpensive microscope made from tiny LEDs to support research into insulin-producing pancreatic islets. “Not only are we trying to image the cells optically, we also want to measure processes within the cells, such as how much oxygen they use”, says Hartmann.

Her visits to the clean room laboratory will then become very infrequent. “I guess I will mainly be dealing with organisational tasks. But that’s fine: I like organising”, laughs the engineer. There is only one thing that makes her a little sad: saying goodbye to MOVPE. “For four years now, I have been working with this machine on almost a daily basis. I think I will miss it quite a bit.”

Text: Andrea Hoferichter


Rezepte für winzige Leuchtdioden in 3D

Wie fast jeden Morgen, tauscht Jana Hartmann ihre Straßenschuhe gegen weiße Clogs, schlüpft in einen weißen Overall und Latexhandschuhe und setzt eine Haarschutzhaube auf. Dann geht es in „ihr“ Reich: den Reinraum des Instituts für Halbleitertechnik im 10. Stock des TU-Hochhauses an der Hans-Sommer-Straße. Dreck jeglicher Art ist dort tabu, deshalb auch die Schutzkleidung. Die Elektrotechnikerin arbeitet hier für ihre Promotion.

Im Reinraum steht – übermannshoch, mehrere Meter lang und aus glänzendem Edelstahl – ein Gerät zur „Metallorganischen Gasphasenepitaxie“, auch liebevoll „MOVPE“ genannt. „Ich habe gerade noch ein neues Rezept geschrieben. Das würde ich gerne schnell starten, damit es bis heute Abend fertig wird“, sagt die Forscherin. Klar, dass es bei diesem Rezept nicht um die Erfindung einer hippen neuen Schokoladensorte oder andere kulinarischen Köstlichkeiten geht. In der MOVPE komponiert Jana Hartmann aus verschiedenen Gasen winzige, dreidimensionale Leuchtdioden, kurz: 3D-LEDs, winzige Wände aus Galliumnitrid, die dünner als ein menschliches Haar sind.

Leuchtdioden nach Rezept

„3D-LEDs haben eine besonders große Oberfläche und können deshalb mehr Licht abstrahlen“, sagt sie. In Zukunft könnten sie daher deutlich effizienter sein als konventionelle flache LEDs und in Mikroskopen, besonders empfindlichen Sensoren, in der Beleuchtungs- und Lasertechnik zum Einsatz kommen.

Hartmann zeigt ihr Rezept am Bildschirm der Anlage. Dort steht, welche Zutaten wann und wie lange und bei welchen Temperaturen beziehungsweise Drücken zugegeben werden. Zum Einsatz kommen Ammoniak und Verbindungen, die Gallium, Indium beziehungsweise Silizium enthalten. Das Herzstück der Anlage ist ein Reaktor aus Edelstahl, etwa so groß wie ein Kaffeeautomat. Er steht in der „Glovebox“, einer Kiste mit Glasfront, aus der armlange Gummihandschuhe ragen. „In der Glovebox ist reiner Stickstoff, damit Sauerstoff und andere Stoffe aus der Luft den Abscheidungsprozess nicht stören“, erklärt die Forscherin.

Sie schlüpft in die Handschuhe, greift ins Innere der Glovebox und öffnet den Reaktordeckel. Darunter verbirgt sich ein Drehteller, ähnlich wie in einer Mikrowelle. Er hat Platz für drei etwa fünf Zentimeter große Scheiben, sogenannte „Templates“ und kann auf Temperaturen über 1000 Grad Celsius aufgeheizt werden. Ist der Deckel geschlossen, strömen von oben aus dem Reaktordeckel die Reaktionsgase wie aus einem Duschkopf auf die Templates und reagieren chemisch zu einem Galliumnitridkristall.

Ein Produkt des Hauses

Auch die Templates sind ein Produkt des Hauses, werden hier am Institut für Halbleitertechnik hergestellt. Sie bestehen aus einem transparenten Saphirwafer mit einer Galliumnitrid- und darüber einer Siliziumoxidschicht mit Löchern oder hauchdünnen Schlitzen. In diesen Schlitzen wachsen die LEDs wie Wände oder „Fins“, wie sie hier am Institut genannt werden. „Seit zwei Jahren forsche ich an Fin-LEDs aus Galliumnitrid“, berichtet Hartmann. Davor habe sie vor allem winzige Säulen abgeschieden. Die Fins seien aber stabiler und hätten auf die Fläche eines Wafers bezogen eine noch höhere Oberfläche. „Das liegt vor allem daran, dass sich 3D-LEDs nicht beliebig dicht aufbringen lassen“, erklärt sie.

Die Fin-LEDs wachsen in der MOVPE erst in die Höhe und dann in die Breite. Um den Kern aus Galliumnitrid wird nämlich noch einen „Mantel“ abgeschieden, der unter anderem Indiumgalliumnitrid enthält. Der Indiumgehalt bestimmt, mit welcher Wellenlänge, also Farbe die LEDs leuchten.

Damit es endlich losgehen kann, bestückt Hartmann den Drehteller im Reaktor mit neuen Templates, schließt den Deckel, kontrolliert am Anlagenmonitor noch einmal die Einstellungen und drückt auf „Run“. Der Prozess startet. Er wird gut sechs Stunden laufen. In der Zwischenzeit untersucht die Forscherin ältere Proben im Rasterelektronenmikroskop und bringt sie mit der sogenannten Kathodolumineszenz zum Leuchten. „So kann ich schon ganz gut sehen, welche Eigenschaften die 3D-LEDs haben, wie hoch und breit sie geworden sind und wieviel Indium sie enthalten“, berichtet sie.

Ein LED-Mikroskop für die Diabetesforschung

In ein paar Monaten wird Jana Hartmann die Erkenntnisse aus den Untersuchungen für ihre Doktorarbeit zusammen schreiben. Und dann? „Dann kann ich mich ganz der Leitung einer Nachwuchsforschergruppe innerhalb der Wissenschaftsallianz QUANOMET widmen“, berichtet sie. Es gehe im weitesten Sinn um Diabetesforschung. Die Gruppe will aus winzigen LEDs ein kleines, kostengünstiges Mikroskop entwickeln, mit dem die insulinbildenden Pankreasinseln erforscht werden können. „Es geht nicht nur darum, die Zellen optisch abzubilden, sondern gleichzeitig Prozesse in den Zellen zu messen, zum Beispiel wieviel Sauerstoff sie verbrauchen“, sagt Hartmann.

Das Reinraumlabor wird sie dann allerdings nur noch selten von innen sehen. „Ich werde mich wohl vor allem um Organisatorisches kümmern. Aber ich organisiere gerne“, sagt die Ingenieurin und lacht. Einen Wermutstropfen gebe es dann aber doch: die MOVPE. „Ich habe vier Jahre lang fast täglich an der Anlage gearbeitet und werde sie bestimmt ziemlich vermissen.“

Text: Andrea Hoferichter