Neue Nitridmaterialien für elektronische Bauelemente

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Saskia Schimmel
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512083685

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.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen