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Projekt
Grenzen der Schaltfestigkeit in ferroelektrischen Nitriden: Fortschrittliche analytische Methoden für ermüdungsfreie AlScN-Bauteile [UNLimit]
Antragstellerinnen / Antragsteller
Dr.-Ing. Simon Fichtner; Professorin Dr. Martina Müller; Dr.-Ing. Niklas Wolff
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563148605
Die begrenzte Durchbruchsfestigkeit der neuen Nitrid-Ferroelektrika (NF) ist die derzeit größte Herausforderung bei ihrer Integration in ferroelektrische Nitrid-Halbleitern Bauteile. Obwohl das Phänomen des Leistungsverlusts in Abhängigkeit von der Anzahl von Schaltzyklen, bekannt als "Ermüdung", in NF-Bauelementen empirisch untersucht wurde, bleiben die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen nach wie vor unklar. Zudem gab es bisher kaum Versuche, die physikalischen Zusammenhänge wissenschaftlich zu klären. Im "UNLimit"-Projekt werden fortschrittliche Analysetechniken neu kombiniert: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES), zusammen mit modernster Dünnschichtabscheidung von NFs auf AlN-Basis. Das Projekt zielt darauf ab, die mikroskopischen Mechanismen der funktionellen "Ermüdung" zu verstehen und die Eigenschaften von NFs- und Defekten durch materialwissenschaftliche Weiterentwicklungen zu verbessern. Dies wird letztlich die Schaltfestigkeit der NFs erheblich steigern. Ex situ-, in situ- und operando-Studien werden die Verbindung zwischen den ferroelektrischen Eigenschaften und den atomaren sowie elektronischen Veränderungen auf Komponentenebene herstellen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf der Dimension des einstelligen Nanometerbereichs und darunter. Dies wird durch die Nutzung der verschiedenen Längen- und Energieskalen erreicht, die mit TEM und HAXPES untersucht werden können. Diese Ergebnisse fließen dann in fortgeschrittene Wachstumstechniken ein, die sich auf die epitaktische Sputterabscheidung von NFs, insbesondere AlScN, konzentrieren. Das Projekt „UNLimit“ zielt darauf ab, durch diese Rückkopplungsschleife ein umfassendes wissenschaftliches Verständnis zu erlangen, indem es folgende Schlüsselfragen bearbeitet: (I) Wie beeinflussen strukturelle Defekte das ferroelektrische Schalten, und lässt sich dieser Einfluss durch verbesserte Epitaxiequalität steuern? (II) Welche Grenzflächeneffekte führen zur Alterung der NFs, und welche Materialien schützen die Grenzflächen effektiv? (III) Welche Rolle spielen Sauerstoffverunreinigungen, und welche Passivierungs-systemeverhindern die Anreicherung und Migration von Sauerstoff? (IV) Welche Ladungsträger entstehen beim wiederholten ferroelektrischen Schalten? Wo bilden sie sich? Beschleunigen sie den Durchbruch des Bauelements? Kann man ihre Bildung materialwissenschaftlich unterdrücken? Die Beantwortung der oben genannten Fragen bietet eine ideale Grundlage, um das derzeit existierende Hauptproblem um die Leistungsfähig- und Durchbruchsfestigkeit neu entwickelten NFs zu lösen. UNLimit“ ist somit gut positioniert, um einen entscheidenden Beitrag zur ersten Generation von ferroelektrischen Nitrid-Bauelementen zu leisten.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
