Erneuerung und Erweiterung einer MOVPE-Anlage für III-Nitrid und 2D-Halbleiter

• Fachliche Zuordnung: Elektrotechnik und Informationstechnik
• Förderung: Förderung in 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 583379146

Neben der massiven Durchdringung des Beleuchtungsmarktes mit Galliumnitrid (GaN)-LED sind elektronische Bauelemente aus Nitrid-Halbeitern heute bereits breit im Massenmarkt etabliert: tragbare DC-DC Wandler mit hoher Effizienz beruhen auf GaN-Transistoren, zukünftig werden Hochvolt-Transistoren mit 800 V Betriebsspannung auch in Datenzentren und On-Board-Chargern in der E-Mobilität verwendet werden, während GaN-Transistoren in der Hochfrequenztechnologie bereits Systeme mit Watt-Leistungen bis 100 GHz ermöglichen. Das THz-Spektrum zeigt vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten, jedoch fehlen leistungsstarke und effiziente Quellen und rauscharme Detektoren, die über die Limitierung der heute verfügbaren Transistoren hinausgehen. Im Fachgebiet Bauelemente der Höchstfrequenzelektronik wurden erfolgreich Resonanztunneldioden (RTD) im Materialsystem Indiumphosphid (InP) realisiert und zur Anwendung im THz-Bereich gebracht. Basierend darauf soll die Entwicklung einer GaN-RTD auf nicht-polaren Oberflächen realisiert werden, um das in InP-RTD beobachtete Leistungslimit der abgestrahlten THz-Strahlung zu übertreffen. Zukünftig sollen auch neue Materialien und Heterostrukturen untersucht werden. Das 2D-Material hexagonales Bornitrid (h-BN) ist für Bauelemente in mehreren Applikationen interessant: mit einer Bandlücke von 5-6 eV, einer hohen thermischen Leitfähigkeit, einer hohen chemischen Beständigkeit und guter mechanischer Stabilität eignet es sich als Dielektrikum zur Passivierung von Bauelementen. Außerdem gehört es zur Kategorie der 2D-Materialien, welche in der Vertikalen über schwächere van-der-Waals-Bindungen gestapelt werden können. Hierbei dient h-BN u.a. zur Passivierung von epitaktisch gewachsenem Graphen zur Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit. Alternativ kann mit h-BN als Dielektrikum ein auf 2D-Materialien basierter Feldeffekt-Transistor entwickelt werden. Die großflächige Abscheidung von h-BN stellt eine Herausforderung dar, wobei die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) als Methode die besten Ergebnisse zeigt. So gewachsene h-BN-Schichten auf GaN/Saphir können als Integrationsplattform für 2D-Materialien verwendet werden, mit dem Vorteil eines elektrisch isolierenden Substrats für hochfrequente Applikationen. Diese aktuellen und zukünftigen Forschungsvorhaben benötigen eine Überholung und Erweiterung der bestehenden Nitrid-MOVPE. Für beide Themen – Entwicklung neuer Heterostrukturen, z.B. Tunnelstrukturen mit nm-dicken Barrieren, und großflächiger 2D-Materialabscheidung für integrierte Hochfrequenz-Chips – ist die Uniformität der Schichten ein kritischer Aspekt. Hierfür muss die Prozessgas-Zuführung in die Reaktorkammer aufgerüstet werden und neue Material-Quellen verfügbar gemacht werden. Darüber hinaus soll ein zuverlässiger Betrieb der Anlage aus dem Baujahr 2010 für die nächsten 10-15 Jahre sichergestellt werden, wofür zentrale Komponenten, die das Ende ihrer wirtschaftlichen Lebensdauer erreicht haben, erneuert werden müssen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Erneuerung und Erweiterung einer MOVPE-Anlage für III-Nitrid und 2D-Halbleiter
• Gerätegruppe: 0920 Atom- und Molekularstrahl-Apparaturen
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiter: Professor Dr. Nils Weimann