ABTEILUNG MATERIALPHYSIK

Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuer Materialien und Materialkombinationen mit halbleitenden Eigenschaften und für den Einsatz als leitfähige Pufferschichten für Halbleiterbauelemente. Dies erfordert eine systematische Untersuchung der Materialeigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie, Ellipsometrie, Ramanstreuung, Photolumineszenzuntersuchungen und elektrischen Messungen. Dazu erfolgt die Weiterentwicklung des Verfahrens der Sputterepitaxie. Durch dieses Verfahren werden viele neue Materialkombinationen erst möglich bzw. die Untersuchung vielfältiger Materialien ohne extreme Kosten möglich. Diese Entwicklung geschieht zum Teil in Verbindung mit dem etablierten Wachstumsverfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie für erste Demonstratoren.

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Ziel ist die Entwicklung neuer Materialien und Materialkombinationen mit halbleitenden Eigenschaften und für den Einsatz als Pufferschichten für Halbleiterbauelemente. Dies erfordert eine systematische Untersuchung der Materialeigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie, Ellipsometrie, Ramanstreuung, Photolumineszenzuntersuchungen und elektrischen Messungen. Dazu erfolgt die Weiterentwicklung des Verfahrens der Sputterepitaxie das bislang außer in Japan weltweit in den Kinderschuhen steckt.
Durch dieses Verfahren werden viele neue Materialkombinationen erst möglich bzw. die Untersuchung vielfältiger Materialien ohne extreme Kosten möglich. Diese Entwicklung geschieht zum Teil in Verbindung mit dem etablierten Wachstumsverfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie für erste Demonstratoren.

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Anionische Amidinat-Liganden des Typs [RC(NR')₂]^- sind mittlerweile als unverzichtbare Tools in der Koordinationschemie nahezu aller metallischer Elemente im Periodensystem fest etabliert. Sie ermöglichen sowohl die Synthese neuer Homogenkatalysatoren als auch das Design flüchtiger Precursoren für ALD- und CVD-Verfahren in der Materialwissenschaft (z.B. Phasenwechsel- und Halbleitermaterialien). Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erforschung von Alkinylamidinat-Liganden in der Koordinationschemie der Übergangsmetalle.

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Ziel des Projects ist die Synthese und vollständige Charakterisierung (IR, Raman, NMR, Elementaranalyse) von Polysulfid-Anionen und ihren Metall-Komplexen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der strukturellen Charakterisierung mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse.

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Goal of this project is to identify specific TM-group-III-N layers with epitaxial quality for a potential application in group-III-nitride electronics. For this we will first study the properties of pure and alloyed group-IIIb-, -IVb-, and -Vb-nitrides (Cr, V, Ti, Sc, Nb, Zr, Ta, Hf) with AlN and in some cases also with GaN. This will result in a database of material parameters, namely crystal structure, lattice parameter, electrical and optical properties for a wide range of compositions.
Their potential should be then evaluated within the framework of thin films applied as active layers, i.e. for polarization optimization in HEMTs, novel HEMT structures as, for example, GaN/ScN/GaN binary high mobility electron channels or as thicker films for an application as highly conductive buffer layer and electrically conducting strain engineering layers, enabling true vertical electronic devices on Si substrates. For the latter pure TMN alloys or TMN alloys with AlN are the most promising candidates, while for active layers, apart from binary TMN layers, also alloys with GaN are interesting.

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Die binären Metalloxide und ihre Legierungen (In,Ga,Al)₂O₃ gehören zu den Materialien mit größter Einstellbarkeit der physikalischen Eigenschaften. Sie umfassen Isolatoren, Halbleiter und Leiter, sie finden Anwendung in magnetischen und ferroelektrischen Schichten und erlauben somit die Entwicklung einer neuen Generation von elektronischen Bauelementen. Die Herstellung von Oxidstrukturen mit höchster Materialqualität und das Verständnis der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung anwendungsorientierter Technologien. Dies ist Gegenstand des Leibniz ScienceCampus Growth and fundamentals of oxides for electronic applications - GraFOx . Der Fokus der Arbeiten in der Abteilung Materialphysik liegt auf der Bestimmung der dielektrischen Funktion vom mittleren infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich (auch unter Anwendung von Synchrotronstrahlung), der Ermittlung fundamentaler Bandstruktureigenschaften und der Analyse von Vielteilcheneffekten in hochdotierten transparent-leitfähigen Oxiden (TCOs).

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Materialien für die Verkapselung von UV-Leuchtdioden müssen neben UV-Transparenz auch einen definierten und reproduzierbar einstellbaren Brechungsindex aufweisen, um technologisch interessant zu sein. In diesem Projekt werden verschiedene Kandidatenmaterialien für die Verkapselung von nitridischen UV-Leuchtdioden mit spektroskopischer Ellipsometrie grundcharakterisiert. Dabei werden Brechungsindex und Absorptionskoeffizient der Materialien bestimmt.

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Um weitere Verbesserungen in der GaN-Leistungselektronik zu
erzielen und neue Bauelementstrukturen sowie Bauelementdesigns
zu ermöglichen, werden wir Übergangsmetallnitride, deren
Legierungen sowie deren Legierungen mit AlN und GaN untersuchen.
Dies mit dem Ziel, eine echte, voll vertikale Elektronik auf
kostengünstigen Siliziumsubstraten und normally-off high electron
mobility Transistoren (HEMT) mit höherer Stromdichte und damit
kompakterer Bauweise als bisher zu ermöglichen. Darüber hinaus
werden wir eine neue Wachstumsmethode anwenden, die gepulste
Sputter-Epitaxie, mit der hochwertige GaN-Schichten bei
Temperaturen unter 800 °C gezüchtet werden können, womit sich ein
großes Potenzial für die Si-CMOS-Integration der GaN-Elektronik
eröffnet. Um neue Materialien zu identifizieren, die geeignet sind,
leitende Pufferschichten für die anschließende GaN-Epitaxie zu
erzielen, sowie neue oder bessere Funktionalitäten von
Bauelementen der Gruppe-III-nitride zu erreichen, werden wir
Übergangsmetallnitride (TM) sowie deren Legierungen mit AlN und
GaN, auf ihr Potenzial für elektronische Anwendungen der Gruppe-IIINitride
untersuchen. Dazu werden zunächst die Eigenschaften von
reinen und legierten Gruppe-IIIb-IVb- und Vb-Nitriden (Cr, V, Ti, Sc,
Nb, Zr, Ta, Hf) mit AlN und in einigen Fällen auch mit GaN untersucht.
Unser Ziel ist eine Datenbasis mit Kristallstruktur, Gitterparametern,
elektrischen und optischen Eigenschaften für eine Vielzahl von
Zusammensetzungen. Im Detail wird das Potenzial dann an dünnen
Schichten für die Anwendung als aktive Schicht in elektronischen
Bauelementen untersucht werden, z.B. zur Polarisationsoptimierung
in HEMTs oder für neuartige HEMT-Strukturen, z.B. mit binären,
hochleitfähigen GaN / ScN / GaN-Kanälen oder als dickere,
hochleitfähige Pufferschicht oder auch als elektrisch leitende,
rissvermeidende Schichten, die echte vertikale, elektronische
Bauelemente auf Si-Substraten ermöglichen soll. Für letztere sind
reine TMN-Legierungen oder TMN-Legierungen mit AlN die
vielversprechendsten Kandidaten, während für aktive Schichten
neben binären TMN-Schichten auch Legierungen mit GaN interessant
sind. Aufgrund der bislang bekannten Eigenschaften der TMNs
erwarten wir, dass sowohl vollständig vertikale Bauelemente auf Si als
auch bessere HEMT-Bauelemente erzielbar sind und zu einer
weiteren Erhöhung der Leistungsdichte von GaN basierten
Bauelementen führen wird.

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Ziel des Projekts ist die experimentelle Bestimmung fundamentaler Parameter und der Bandstruktur moderner Halbleitermaterialien. Im Fokus stehen vor allem Galliumnitrid (GaN), sowohl in der wurtzit als auch in der zinkblende Modifikation, Indiumoxid (In₂O₃), aber auch weitere Nitride und Oxide.

Neben der Bandlücke, sind die wichtigsten Parameter jedes Halbleiters die effektiven Massen von Elektronen und Löchern. Überraschenderweise sind diese bislang nur sehr ungenau bekannt. Das Parameter-Projekt setzt es sich zum Ziel, möglichst umfassend diese und weitere Materialparameter zu bestimmen. Neben einer genauen Charakterisierung der untersuchten Systeme ist die Methodenentwicklung ein zentralen Bestandteil der Arbeiten. Die verwendeten Techniken sollen universell einsetzbar sein und sich prinzipiell auf verschiedenste Materialsysteme übertragen lassen.

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Polysulfidanionen und ihre Metallkomplexe werden synthetisiert und grundlegend charakterisiert. Dabei kommen Ramanspektroskopie, Infrarotspektroskopie, NMR, Elementaranalyse und Röntgenbeugung zur Strukturaufklärung zum Einsatz.

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Die binären Metalloxide und ihre Legierungen (In,Ga,Al)₂O₃ gehören zu den Materialien mit größter Einstellbarkeit der physikalischen Eigenschaften. Sie umfassen Isolatoren, Halbleiter und Leiter, sie finden Anwendung in magnetischen und ferroelektrischen Schichten und erlauben somit die Entwicklung einer neuen Generation von elektronischen Bauelementen. Die Herstellung von Oxidstrukturen mit höchster Materialqualität und das Verständnis der fundamentalen physikalischen Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung anwendungsorientierter Technologien. Dies ist Gegenstand des Leibniz ScienceCampus Growth and fundamentals of oxides for electronic applications - GraFOx . Der Fokus der Arbeiten in der Abteilung Materialphysik liegt auf der Bestimmung der dielektrischen Funktion vom mittleren infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich (auch unter Anwendung von Synchrotronstrahlung), der Ermittlung fundamentaler Bandstruktureigenschaften und der Analyse von Vielteilcheneffekten in hochdotierten transparent-leitfähigen Oxiden (TCOs).

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Die technologisch, wissenschaftlich und kommerziell extrem wichtige II-Nitrid Halbleiterfamilie erlaubt die Herstellung von p-dotiertem, undotiertem (semi-isolierenden) bis zu hoch n-dotiertem Material. Die optischen Eigenschaften sind stark abhängig von der Dotierung. In diesem Projekt werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Dotierung und linearer optischer Antwort systematisch untersucht. Das fängt bei der effektiven Elektronmasse an, schließt die Phonon-Plasmon Kopplung mit ein und reicht bis zur Abhängigkeit der Absorptionskante von den wechselseitig wirkenden Mechanismem Renormierung und Bandauffüllung.

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Der hochlückige Halbleiter AlN (E_g ~ 6 eV) hat in letzter Zeit enorme Qualitätsverbesserungen erfahren, was vor allem der Verfügbarkeit von AlN Einkristallen geschuldet ist. In diesem Projekt werden mit einem Vergelich von Photolumineszenz und Spektroskopischer Ellipsometrie Zuordnungen von Emissionsbanden ermöglicht. Das Ziel ist es, insbesondere Defektlumineszenzbeiträge eindeutig chemisch zu identifizieren um wiederum die Probenqualität weiter verbessern zu können und das Verständnis des Halbleitermaterials voranzubringen. Dafür werden vor allem homoepitaktische Dünnfilme, die mit verschiedenen Wachstumsbedingungen und in verschiedenen Laboratorien hergestellt wurden untersucht.

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Ein besonders vielversprechender neuartiger Transistortyp (AlInN HEMT) erlaubt z.B. höhere Stromdichten als herkömmliche Strukturen. Die Betriebssicherheit dieses Transistortyps ist bislang nicht ausreichend untersucht  und soll mittels Vergleichen von Transistor-Kennlinien zu bildgebenden thermischen Verfahren analysiert  werden. Insbesondere wird Raman-Spektroskopie zum Einsatz kommen.

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Indiumnitrid (InN) besitzt unter allen Nitridhalbleitern die kleinste Bandlücke. Erst seit wenigen Jahren ist bekannt, dass diese nicht im sichtbaren sondern im infraroten Spektralbereich liegt. Dies eröffnet neue Anwendungsfelder der Nitride. Ein Konsortium aus 14 europäischen Universitäten und Forschungseinrichtungen hat es sich zum Ziel gestellt, zum einen die Herstellung  von InN und seinen Legierungen mit GaN und AlN deutlich zu verbessern und zum anderen grundlegende elektronische und optische Eigenschaften des Materialsystems zu untersuchen. Auf dieser Basis sollen erste Demonstratoren neuartiger Bauelemente realisiert werden.

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Die Leitungsband Zustandsdichte von III-Nitriden soll mittels Synchrotron-basierter Photolumineszenzanregungsspektroskopie untersucht werden. Dabei wird ausgenutzt, dass die semi-core Zustände der Metall-Ionen nur sehr geringe Dispersion aufweisen und daher als Ausgangszustand für eine Anregung ins Leitungsband benutzt werden können. Für Messungen im Rahmen dieses Projekts stehen 4 ganze Tage am Synchrotron zur Verfügung.

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Mit Synchrotronstrahlung werden Photolumineszenzanregungsspektren von ternären AlGaN Schichten aufgenommen. Dabei werden Aluminiumkonzentrationen zwischen 20% und 100% untersucht. Hochauflösende Tieftemperaturspektren erlauben Einclick in die Valenzbandstruktur der Materialien. Für Messungen stehen 4 ganze Tage am Synchrotron zur Verfügung.

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