SPP 2477:  Nitrides4Future – Neuartige Materialien und Konzepte für Bauelemente

• Fachliche Zuordnung: Informatik, System- und Elektrotechnik ; Chemie ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540851193

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.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: China, Finnland, USA

Projekte

• Einstellung der piezo- und ferroelektrischen Eigenschaften von III-Nitriden durch Legierung mit Metallnitriden - Kristallisation aus N2 und NH3-basierten Lösungen und Gasphasen mit Unterstützung durch atomistische Simulationen (PiezoTUNE) (Antragstellerinnen / Antragsteller Schimmel, Saskia ;  Zahn, Dirk )
• Erforschung Chemischer Präkursoren für die Abscheidung von Dünnschichten auf Basis von Ferroelektrisch Aluminiumnitrid mit Wurtzit-Struktur (ExPreFAN) (Antragstellerinnen / Antragsteller Devi, Anjana ;  Schröder, Uwe )
• Erforschung der maximalen, piezoelektrischen Polarisation in ternären Metallnitriden (Akronym: Piezo-Explorer) (Antragsteller Ambacher, Oliver ;  Krischok, Stefan )
• Func4Punc - Funktionalisierung von AlGaN/GaN-HEMTs durch additives ferroelektrisches AlScN zur effizienten Leistungsumwandlung (Antragsteller Heitmann, Johannes ;  Kapels, Holger )
• Grenzen der Schaltfestigkeit in ferroelektrischen Nitriden: Fortschrittliche analytische Methoden für ermüdungsfreie AlScN-Bauteile [UNLimit] (Antragstellerinnen / Antragsteller Fichtner, Simon ;  Müller, Martina ;  Wolff, Niklas )
• Integrierte akustische NEMS auf dünnen neuartigen Nitrid-Schichten (Antragstellerinnen / Antragsteller Ngo, Ha Duong ;  Sharp, Ph.D., Ian D. ;  Weiß, Matthias ;  Yuan, Mingyun )
• Koordinationsfonds (Antragstellerin Schimmel, Saskia )
• Scandiumnitrid-basierte Template für gitterangepasste Wachstum konventioneller Gruppe-III Nitride – BIFRÖST (Antragsteller Chatterjee, Sangam ;  Waag, Andreas )
• Selten-Erd Nitrid Verbindungshalbleiter und -Heterostrukturen für integrierte Thermoelektrika (Antragsteller Dinh, Ph.D., Van Duc ;  Koblmüller, Gregor ;  Wagner, Markus R. )
• Ternäre Metallnitride - Erforschung grundlegender optischer und elektronischer Eigenschaften auf dem Weg zu ferroelektrischen funktionalen Strukturen (Antragsteller Beenken, Wichard Johann Daniel ;  Schmidt-Grund, Rüdiger )

• Sprecherin: Dr.-Ing. Saskia Schimmel