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 elektronische Anwendungen 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 Strömungsbedingungen 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 Bauelementkonzepte

Untersuchung materialbasierter Ansätze für neuartige elektronische Bauelemente und funktionale Strukturen.

Team

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

Gruppenleitung
Dr.-Ing. Saskia Schimmel

Promovierende
Rajesh Chirala, M.Sc.
Thomas Wostatek, 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

2025

2024

2023

2022

2024

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

    (FAU Funds)

    Projektleitung: ,
    Laufzeit: 1. Oktober 2024 - 30. September 2025
    Akronym: KI-FUNKEN

2023

  • Emmy Noether-Programm „Neue Nitridmaterialien für elektronische Bauelemente“ (1. Förderabschnitt)

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Projektleitung:
    Laufzeit: 1. August 2023 - 31. Juli 2026
    Mittelgeber: 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.

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

    (FAU Funds)

    Projektleitung:
    Laufzeit: 15. Januar 2023 - 14. Januar 2024