Ferroelektrisches Zirkonoxid für piezo- und pyroelektrische Bauelemente (Zeppelin)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ulrich Böttger; Professor Dr. Alfred Kersch; Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433647091

Die im Jahre 2007 entdeckte ferroelektrische Materialklasse basierend auf Hafniumoxid HfO2 in der orthorhombischen Pca21 Phase, zeichnet sich durch hohe remanente Polarisation, niedrige Dielektrizitätskonstante, Bleifreiheit und Silizium-Kompatibilität aus. Allerdings konnten diese vorteilhaften Eigenschaften bisher meistens nur in Schichten um 10 nm realisiert werden. Beim 2018 abgeschlossenen DFG-Projekt INFEROX wurde die Herstellung von dünnem, dotiertem HfO2 mit einer Vielzahl von Dotierstoffen sowie Hafnium-Zirkonoxid untersucht, die Materialeigenschaften charakterisiert, sowie die freien Energien mit Dichtefunktionaltheorie berechnet, um die gefundenen Zusammenhänge zu untermauern. Insgesamt war das Projekt auf die Erforschung der Grundlagen von Materialien für neuartige, elektronische Bauelemente ausgerichtet. Die piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften dieser Materialien wurden als vielversprechend identifiziert, aber nicht weiter systematisch untersucht.In diesem Antrag wird vorgeschlagen, die Untersuchung von HfO2 basierten Schichten auf ZrO2-basierte dotierte Schichten auszuweiten, sowie dickere Schichten bis in die Größenordnung von 1 µm herzustellen. Als Herstellungsverfahren vorgesehen sind CSD, ALD und PVD, sowohl mit keramischen als auch mit metallischen Targets, um die Wirkungsweise von Fehlstellen aufzuspüren. Im Fokus stehen die steuerbar dielektrischen, piezoelektrischen sowie pyroelektrischen Eigenschaften, die bei feldgetriebenen Phasenübergängen erheblich sein können und zu besonders hohen Leistungskennzahlen führen. Es sollen die Ursachen dieser Eigenschaften untersucht, diese optimiert sowie die Leistungskennzahlen sensorischer und aktorischer Bauelemente wie Varaktoren, akustischen Dünnschicht-Resonatoren (TFBARs), und IR-Sensoren ermittelt werden. Für die Realisierung der Funktion sind teilweise dicke Schichten in der Größenordnung von 1 µm erforderlich. Insbesondere soll die ferroelektrische Phase in diesen dicken Schichten stabilisiert bzw. feld- oder temperaturgetrieben erreichbar gemacht werden. Nach dem bisherigen Verständnis ist diese durch Grenzflächenenergie, Sauerstoffleerstellen, aber teilweise auch durch metastabile Zustände stabilisiert. Ein wichtiges Ziel der Untersuchungen ist daher das Verständnis und die Beherrschung kinetischer Effekte. Auf theoretischer Seite ist eine Dotanden Vorauswahl vorgesehen, die Analyse der Kinetik der Phasenübergänge sowie die Berechnung der piezo- und pyroelektrischen Eigenschaften im Vergleich mit den Experimenten durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Uwe Schröder