Dr.-Ing. Saskia Schimmel

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.

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.

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.

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.