Wachstumskinetische Aspekte der Versetzungsbildung und -ausbreitung in SiC-Einkristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Sandfeld; Professor Dr.-Ing. Peter Wellmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394148498

Das Ziel dieses Projekts ist die fundamentale Verbesserung aktueller Versetzungsmodelle für Halbleiter mit hexagonaler Gitterstruktur. Dies wird durch die enge Zusammenarbeit von Kristallwachstum, experimenteller Charakterisierung in 2D und 3D, sowie neuartigen Versetzungsdynamik Simulationen erzielt. Dabei ermöglicht eine physikalisch-basierte Modellierung die Optimierung des Abkühlprozesses, sowie von Wachtums- und Prozessparametern und die damit verbundene Reduzierung der Anzahl von Versetzungen im Kristall. Siliziumkarbid wurde als Modellmaterial für nicht-kubische Materialien ausgewählt. Die neuen Erkenntnisse und Resultate werden deshalb auch repräsentativ für andere Halbleiter mit hexagonaler Struktur (z.B. GaN, AlN, ZnSe oder ZnO) sein. Um unser Ziel zu erreichen werden wir in einer Reihe von systematischen Schritten vorgehen: unsere quantitative experimentelle Charakterisierung gibt Daten bzgl. innerer Spannungen und Dehnungen, sowie der Versetzungsmikrostruktur infolge von Versetzungsbewegung (in SiC bei 2100 - 2300 C). Methodisch kommen Raman-Spektroskopie, KOH-Defektätzen, Röntgenbeugung und vor allem Synchrotron Röntgentopographie zu Anwendung. Während des ersten Projektzeitraums haben wir in Verbindung von experimenteller (Kristallwachstum und -charakterisierung) und theoretischer Arbeit (Erforschung neuartiger Plastizitätsmodelle für Halbleiter) die lokale Verteilung von Versetzungen für verschiedene Randbedingungen des Kristallwachstums und der Wärmebehandlung untersucht. Als wesentliches Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die neu entwickelte Kontinuum-Versetzungsdynamik-Simulation (engl. continuum dislocation dynamics, CDD) mit Quellenaktivierung in 2D und 3D die lokale Verteilung der Versetzungsdichte sehr gut beschreibt. Die CDD-Simulation übertrifft das klassische Alexander-Haasen-Modell (ohne Berücksichtigung des Versetzungsflusses), dem eine realistische Vorhersage der lokalen Versetzungsanordnung fehlt. Der Folgeantrag untersucht zwei neue Phänomene für die Versetzungsdynamik in Halbleitern, d.h. die Keimbildung von Versetzungspaaren, die durch Störungen im Wachstumsprozess verursacht werden, und den Einfluss wachstumskinetischer Aspekte in Bezug auf die Korrelation der Oberflächenstufenstruktur mit dem Ausbreitungsverhalten von Versetzungen auf verkippten Kristalloberflächen. Diese experimentellen und simulativen Arbeiten werden durch maschinelles Lernen und Deep-Learning-gestützte Analysen der Mikroskopie-Daten begleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen