Wissenschaftliches Konzept der Arbeitsgruppe Nitrid-Halbleiter

Die Nachwuchsgruppe erforscht Nitrid-Halbleiter entlang einer geschlossenen Entwicklungskette: von der kontrollierten Synthese über das mechanistische Verständnis von Kristallwachstum und Defektbildung bis hin zu Bauelementkonzepten auf Basis dieser Materialien.

Zentrale methodische Säulen sind die ammonothermale Kristallzüchtung, in-situ-Monitoring unter Hochdruckbedingungen sowie numerische Modellierung.

Ziel ist es, Struktur, Defekte und funktionale Eigenschaften systematisch zu verknüpfen und neue Materialien gezielt für Anwendungen in Elektronik und Photonik zu erschließen.

Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe

Ammonothermale Kristallzüchtung

Untersuchung von Lösungs-, Transport- und Kristallisationsmechanismen unter Hochdruckbedingungen mit dem Ziel der kontrollierten Herstellung hochwertiger Nitrid-Halbleiter mit definierten Eigenschaften.

In situ Methoden und Prozessverständnis

Entwicklung und Anwendung von Technologien zur in situ Beobachtung ammonothermaler Prozesse zur Aufklärung von Wachstumsdynamik, Defektbildung und Stofftransport sowie zur experimentellen Validierung numerischer Modelle.

Defekt- und Dotierungsmechanismen

Analyse der strukturellen und elektronischen Eigenschaften sowie gezielte Beeinflussung von Defekten und Dotierprozessen in halbleitenden Nitriden, insbesondere bei der ammonothermalen Kristallzüchtung.

Numerische Modellierung

Simulation von Temperatur- und Strömungsfeldern zur quantitativen Beschreibung und systematischen, verständnisbasierten Optimierung der Prozessbedingungen mit dem Ziel, den Modellierungsansatz perspektivisch um eine gekoppelte Beschreibung von Wachstumsprozessen zu erweitern.

Integration in elektronische und photonische Bauelemente

Untersuchung materialbasierter Ansätze für neuartige elektronische Bauelemente und funktionale Strukturen.

Team

Die Emmy-Noether-Gruppe im Hochdrucklabor der Technischen Fakultät im Februar 2026.

Gruppenleitung

Dr.-Ing. Saskia Schimmel

Promovierende

Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Koordinationsprojekt des SPPs Nitrides4Future

Samuel Faber, M.Sc.


Studierende

Die Forschungsprojekte der Nachwuchsgruppe werden regelmäßig durch studentische Arbeiten (u.a. Forschungspraktika sowie Bachelor- und Masterarbeiten) ergänzt. Weitere Informationen zu offenen, laufenden und abgeschlossenen studentischen Arbeiten am LEB finden Sie hier.

Wissenschaftliche Arbeiten und Aktivitäten

2024

2023

2022

2026

2025

2024

2023

2022

2026

  • PiezoTUNE: Einstellung der piezo- und ferroelektrischen Eigenschaften von III-Nitriden durch Legierung mit Metallnitriden - Kristallisation aus N2 und NH3-basierten Lösungen und Gasphasen mit Unterstützung durch atomistische Simulationen

    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

    Overall project: SPP 2477: Nitrides4Future – Neuartige Materialien und Konzepte für Bauelemente
    Project leader: ,
    Term: 15. April 2026 - 14. April 2029
    Acronym: PiezoTUNE
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    Abstract

    Das übergreifende Ziel des vorliegenden Projekts ist die maßgeschneiderte Synthese und Charakterisierung von Metallnitriden mit verbesserten piezoelektrischen Eigenschaften. Dazu wird ein tiefgreifendes Verständnis des III1-xMexN- und MeN-Kristallwachstums aus Experimenten und atomistischen Simulationen erarbeitet - sowohl für ammoniak- und stickstoffbasierte Gasphasen als auch für Lösungen. Durch die Verknüpfung von molekularen Simulationen und Syntheseexperimenten soll zunächst eine tiefgreifende Rationalisierung der grundlegenden Mechanismen und Aspekte der ferroelektrischen Eigenschaften der resultierenden Produkte erarbeitet werden. Auf der Grundlage dieses Verständnisses auf atomarer Ebene werden wir ein zunehmend rationales Design des Kristallwachstums anstreben, um wurtzitische III1-xMexN (III=Ga,Al; Me=Cr, B, Y, ...) und Steinsalz MeN (Me= Y, Sc, ...) Einkristalle von hoher Qualität zu erhalten. Dies beinhaltet die Züchtung von Mehrschichtsystemen (z.B. Heterostrukturen in Bauelementen), die Analyse und Kontrolle von Defektstrukturen und die Untersuchung von elastischen und piezoelektrischen Eigenschaften, wobei zahlreiche Kooperationen mit Projektgruppen des Schwerpunktprogramms Nitrides4Future ermöglicht werden.

  • Nitrides4Future: Koordinationsfonds

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Project leader:
    Term: 1. Mai 2026 - 30. April 2029
    Acronym: Nitrides4Future
    Funding source: DFG / Schwerpunktprogramm (SPP)
    URL: https://www.nitrides4future.research.fau.eu/
    Abstract

    Halbleitermaterialien bilden das Fundament der Mikroelektronik - einer Schlüsseltechnologie für Innovationen. Neben Silizium hat sich Galliumnitrid als Grundmaterial etabliert. Das Potential der Materialklasse der Nitride resultiert aus dem außerordentlich breiten Spektrum an Materialeigenschaften: halbleitend, metallisch, piezoelektrisch, ferroelektrisch oder supraleitend. Nitrid-Halbleiter werden schon heute in photonischen Bauelementen wie LEDs und Laserdioden sowie Hochfrequenz- und Leistungselektronik-Bauelementen kommerziell genutzt. Dies darf aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Weiterentwicklung der Nitrid-Technologie immer noch stark von den Eigenschaften und Limitierungen der bislang hauptsächlich erforschten Materialien beeinflusst wird. So ist beispielsweise die Effizienz von UVC-LEDs immer noch sehr niedrig, da sich hier die für Nitride typischen Defektdichten wesentlich stärker auswirken als in blauen LEDs. Für Bauelemente der Leistungselektronik sucht man nach Ansätzen, vertikale Architekturen für höhere Spannungsfestigkeit, höhere Ströme, oder auch normally-off-Transistoren zu realisieren. Piezoelektrische und ferroelektrische Eigenschaften einiger der neuen Metallnitride werden allerdings noch überhaupt nicht in Bauelement-Architekturen genutzt. Dies könnte ein sehr spannender Ansatz sein, z.B. zur Realisierung von ferroelektrischen Speichern und in Kombination mit photonischen Bauelementen anschließend für das optische Neuromorphic Computing. Des Weiteren haben sie ein enormes Potential als piezoakustische Filter in der Kommunikationselektronik. Es gibt darüber hinaus Hinweise, dass eine Reihe von ternären Metallnitriden (über den bekanntesten Vertreter AlScN hinaus) sehr hohe elektrooptische Koeffizienten aufweisen. Derartige Materialien werden als vielversprechender Ersatz für LiNbO3 diskutiert und könnten eine zukünftige Technologie zur Herstellung photonischer Schaltungen für den blauen/UV Spektralbereich begründen. Die beschriebenen Funktionalitäten sind jede für sich genommen interessant. Ein besonders großes Potential für eine disruptive Weiterentwicklung der Nitrid-Technologie birgt jedoch die Kombination der Funktionalitäten in einem Bauelement. Die mögliche Kombination photonischer, elektronischer, ferroelektrischer und elektro-optischer Eigenschaften in einer einzigen Materialfamilie ist einzigartig. Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, die Eigenschaften neuartiger Nitride (wie z.B. Legierungen von AlN mit CrN, YN, LaN, YbN und MoN) zu erforschen und Bauelement-Architekturen zu entwickeln, welche die ganze Vielfalt der Funktionalitäten der Nitride ausschöpfen.

  • „Neue Nitridmaterialien für elektronische Bauelemente“ (2. Förderabschnitt)

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Project leader:
    Term: 1. August 2026 - 31. Juli 2029
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Emmy-Noether-Programm (EIN-ENP)
    Abstract

    Kernziele des Projektes sind die Entwicklung ausgewählter neuartiger Nitrid-Halbleiter sowie eines vertieften Verständnisses ihrer Herstellung mittels Ammonothermalsynthese. Das Projekt evaluiert die fundamentalen Eigenschaften ausgewählter, bislang wenig erforschter ternärer Nitride im Hinblick auf Anwendungen in elektronischen Bauelementen. Die Herstellung geeigneter Volumenkristalle erfolgt über die ammonothermale Synthese, wobei neben dem Zugang zu ausgewählten Materialien auch ein vertieftes Verständnis der ammonothermalen Synthese und Dotierung binärer und ternärer Nitride erlangt wird. Die exemplarisch untersuchten Nitride sind heteroepitaktisch miteinander integrierbar und ermöglichen perspektivisch neuartige Kombinationen von Materialeigenschaften in elektronischen Bauelementen. Aufbauend auf Vorarbeiten zu GaN wird zunächst das Materialsystem GaN-AlN-AlGaN untersucht. Am Beispiel von AlGaN werden Wege zur gezielten Kristallzüchtung ternärer Nitride über einen Transport in der Lösung erarbeitet. Methoden zur gezielten Dotierung und Kontrolle der Leitfähigkeit bei der ammonothermalen Kristallzüchtung werden am Beispiel von AlN untersucht. Durch Einbau von Silizium bei den durch die Ammonothermalsynthese ermöglichten niedrigen Temperaturen soll die Herstellung leitfähiger AlN-Substrate erschlossen werden. Hierdurch könnten erhebliche Verbesserungen in der Energieeffizienz vertikaler leistungselektronischer Bauelemente möglich werden. Durch Nutzung spezieller Hochdruck-Sichtzellen bestehen einzigartige Möglichkeiten zum in situ Monitoring ammonothermaler Reaktionen. Diese werden genutzt, um das grundlegende Verständnis der in der ammonothermalen Kristallsynthese ablaufenden Prozesse sowohl zu vertiefen (Ga) als auch auf weitere projektrelevante Materialen (Al, Si, Mg, Mn, Zn) zu erweitern. Hierbei werden zugleich die Methoden zur Untersuchung komplexer Systeme weiterentwickelt, konkret durch simultane Messungen mit komplementären Messtechniken (Röntgenabsorption, UV-Vis- und Raman-Spektroskopie). Weiterhin wird untersucht, welche Rolle Druck und Ammoniakdichte für die Kristallisation spielen und inwieweit eine Kristallzüchtung bei deutlich reduziertem Druck möglich ist. Das verbesserte Verständnis der Kristallisation ternärer Nitride sowie ihres Transports in ammonothermalen Fluiden wird im Projekt auf die Kristallisation dreier bislang wenig untersuchter ternärer Nitride der Zusammensetzung II-Si-N2 (II = Mg, Mn, Zn) angewandt. Die Synthese der Materialien in einkristalliner Form mit guter struktureller Qualität ermöglicht eine experimentelle Bestimmung der Volumeneigenschaften. Die verbesserte Kenntnis der Materialeigenschaften wird für eine vertiefte Evaluation des Anwendungspotentials der Materialien in elektronischen Bauelementen genutzt. Dabei erfolgt auch eine erste Evaluation des Anwendungspotentials möglicher epitaktischer Heterostrukturen der im Projekt adressierten Materialien.

2024

  • KI-FUNKEN: KI-Fähigkeiten für Elektroingenieur*innen: Entfachen von KI-unterstützter Innovation

    (FAU Funds)

    Project leader: ,
    Term: 1. Oktober 2024 - 30. September 2025
    Acronym: KI-FUNKEN

2023

  • Hochenergie-Computertomographie zur in situ Beobachtung von im Inneren von Hochdruckbehältern ablaufenden Prozessen – Entwicklung am Beispiel der ammonothermalen Kristallzüchtung von GaN

    (FAU Funds)

    Project leader:
    Term: 15. Januar 2023 - 14. Januar 2024

  • „Neue Nitridmaterialien für elektronische Bauelemente“ (1. Förderabschnitt)

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Project leader:
    Term: 1. August 2023 - 30. September 2027
    Funding source: DFG-Einzelförderung / Emmy-Noether-Programm (EIN-ENP)
    Abstract

    Kernziele des Projektes sind die Entwicklung ausgewählter neuartiger Nitrid-Halbleiter sowie eines vertieften Verständnisses ihrer Herstellung mittels Ammonothermalsynthese. Das Projekt evaluiert die fundamentalen Eigenschaften ausgewählter, bislang wenig erforschter ternärer Nitride im Hinblick auf Anwendungen in elektronischen Bauelementen. Die Herstellung geeigneter Volumenkristalle erfolgt über die ammonothermale Synthese, wobei neben dem Zugang zu ausgewählten Materialien auch ein vertieftes Verständnis der ammonothermalen Synthese und Dotierung binärer und ternärer Nitride erlangt wird. Die exemplarisch untersuchten Nitride sind heteroepitaktisch miteinander integrierbar und ermöglichen perspektivisch neuartige Kombinationen von Materialeigenschaften in elektronischen Bauelementen. Aufbauend auf Vorarbeiten zu GaN wird zunächst das Materialsystem GaN-AlN-AlGaN untersucht. Am Beispiel von AlGaN werden Wege zur gezielten Kristallzüchtung ternärer Nitride über einen Transport in der Lösung erarbeitet. Methoden zur gezielten Dotierung und Kontrolle der Leitfähigkeit bei der ammonothermalen Kristallzüchtung werden am Beispiel von AlN untersucht. Durch Einbau von Silizium bei den durch die Ammonothermalsynthese ermöglichten niedrigen Temperaturen soll die Herstellung leitfähiger AlN-Substrate erschlossen werden. Hierdurch könnten erhebliche Verbesserungen in der Energieeffizienz vertikaler leistungselektronischer Bauelemente möglich werden. Durch Nutzung spezieller Hochdruck-Sichtzellen bestehen einzigartige Möglichkeiten zum in situ Monitoring ammonothermaler Reaktionen. Diese werden genutzt, um das grundlegende Verständnis der in der ammonothermalen Kristallsynthese ablaufenden Prozesse sowohl zu vertiefen (Ga) als auch auf weitere projektrelevante Materialen (Al, Si, Mg, Mn, Zn) zu erweitern. Hierbei werden zugleich die Methoden zur Untersuchung komplexer Systeme weiterentwickelt, konkret durch simultane Messungen mit komplementären Messtechniken (Röntgenabsorption, UV-Vis- und Raman-Spektroskopie). Weiterhin wird untersucht, welche Rolle Druck und Ammoniakdichte für die Kristallisation spielen und inwieweit eine Kristallzüchtung bei deutlich reduziertem Druck möglich ist. Das verbesserte Verständnis der Kristallisation ternärer Nitride sowie ihres Transports in ammonothermalen Fluiden wird im Projekt auf die Kristallisation dreier bislang wenig untersuchter ternärer Nitride der Zusammensetzung II-Si-N2 (II = Mg, Mn, Zn) angewandt. Die Synthese der Materialien in einkristalliner Form mit guter struktureller Qualität ermöglicht eine experimentelle Bestimmung der Volumeneigenschaften. Die verbesserte Kenntnis der Materialeigenschaften wird für eine vertiefte Evaluation des Anwendungspotentials der Materialien in elektronischen Bauelementen genutzt. Dabei erfolgt auch eine erste Evaluation des Anwendungspotentials möglicher epitaktischer Heterostrukturen der im Projekt adressierten Materialien.