Erforschung Chemischer Präkursoren für die Abscheidung von Dünnschichten auf Basis von Ferroelektrisch Aluminiumnitrid mit Wurtzit-Struktur (ExPreFAN)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anjana Devi; Dr. Uwe Schröder
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563108379

Die Entdeckung der ferroelektrischen Eigenschaften in Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) in 2019 hat den Anwendungsbereich von Nitridhalbleitern mit Wurtzitstruktur deutlich vergrößert. Eine Erweiterung des Spektrums an substituierten ferroelektrischen Nitriden kann wesentlich zum Verständnis des strukturellen und chemischen Ursprungs ihrer ferroelektrischen Eigenschaften beitragen. Atomlagenabscheidung (ALD) und die metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) werden von der Industrie bevorzugt, da sie kostengünstige Abscheidungen auf 300-mm-Substraten und eine bessere Konformität in 3D Strukturen ermöglichen. Während Ferroelektrizität in MOCVD-AlScN beobachtet wurde, gibt es keinen Nachweis für kristalline ALD-gewachsene Schichten. Die größten Herausforderungen für das Wachstum von mit Seltenen Erden dotierten AlN-Dünnschichten sind die niedrigen Dampfdrücke und die Reaktivität der Präkursoren. Das interdisziplinäre Gemeinschaftsprojekt ExPreFAN zwischen IFW und NaMLab zielt daher darauf ab, neue Präkursoren für Scandium und Ytterbium für ALD- und MOCVD-Prozesse zu entwickeln und gleichzeitig unerforschte AlN Verbindungen unter Verwendung kommerzieller Präkursoren für Dotierstoffe wie Zirkonium und Hafnium zu testen, um kationensubstituierte ferroelektrische AlN-Dünnschichten mit hoher Wurtzit-Strukturqualität für die nächste Generation nichtflüchtiger Speicher zu erzeugen. Im Rahmen von ExPreFAN wird das IFW die neuen Präkursoren und die darauf basierenden Prozesse entwickeln. NaMLab wird sich auf die Entwicklung von ALD-Prozessen für ferroelektrisches AlN mit verschiedenen Kationen-Substituenten konzentrieren und dabei kommerziell erhältliche und die neu entwickelten Präkursoren des IFW verwenden. Beide Projektpartner werden bei der Herstellung der Schichten sowie der strukturellen und chemischen Charakterisierung zusammenarbeiten und dabei ihre hochmodernen Reinräume und Forschungseinrichtungen nutzen. Die ferroelektrischen Eigenschaften der gewachsenen Schichten werden am NaMLab anhand von Kondensatorstrukturen bewertet. Für die vielversprechendsten ferroelektrischen Schichten werden kritische Messgrößen für nichtflüchtige Speicheranwendungen, wie z. B. die Anzahl der Feldzyklen vor elektrischen Durchbruch und Retention, bewertet. Theoretische Simulationen von Tyndall werden die Synthese der Präkursoren und die elektrische Charakterisierung unterstützen. Durch die Kombination des komplementären Fachwissens der Projektpartner zielt ExPreFAN darauf ab, neue Präkursoren für das ALD- und MOCVD-Wachstum ferroelektrischer, kationensubstituierter AlN-Schichten für die nächste Generation nichtflüchtiger Speichertechnologien zu erforschen. Gleichzeitig fördert eine detaillierte Charakterisierung ein besseres Verständnis der Schichteigenschaften und den Wissenstransfer zwischen Forschern auf den Gebieten der Materialwissenschaft, der Elektrotechnik und der theoretischen Modellierung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2477: Nitrides4Future – Neuartige Materialien und Konzepte für Bauelemente