Arbeitsgruppe Aluminiumnitrid - Überblick

Aluminiumnitrid (AlN)-Substrate gelten als exzellentes Substratmaterial für die AlGaN-basierte UV-Optoelektronik (LEDs, Laserdioden, Sensoren). Insbesondere für effiziente Bauelemente im UV-C-Bereich (210-280 nm) wird eine exzellente strukturelle Qualität in der aktiven Zone benötigt, die derzeit nur durch Abscheidung dieser Schichten auf AlN-Volumenkristallen mit mindestens ebenso hoher kristalliner Perfektion erreichbar ist. Darüber hinaus besitzen AlN-Kristalle durch ihre herausragenden Materialeigenschaften als direkter Halbleiter mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit weitere potentielle Anwendungsbereiche z.B. als Substratmaterial für Hochfrequenz- und Hochleistungsbauelemente und als Druck- und Temperatursensoren zum Einsatz bei hohen Temperaturen (> 800°C).

Die Aktivitäten in der Gruppe Aluminiumnitrid konzentrieren sich auf die Entwicklung der PVT-Züchtungstechnologie (s. Methoden) für anwendungsrelevante AlN-Volumenkristalle und -Substrate. Im Fokus steht die Überführung in ein industrietaugliches Verfahren (Advanced UV for Life). Wichtige Aufgabenbereiche liegen in der schrittweisen Durchmesservergrößerung auf industriell relevante Werte unter Beibehaltung der sehr hohen strukturellen Qualität, in der weiteren Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Ausbeute, sowie in der Einstellung der gewünschten elektrischen und optischen Eigenschaften (z. B. hohe Transparenz im UV-C-Wellenlängenbereich) der Kristalle durch die Kontrolle der Verunreinigungen im System während der Kristallzüchtung.

weiterlesen

Daneben wird die Züchtung speziell dotierter AlN-Kristalle für die schnelle Leistungselektronik und die Hochtemperatursensorik untersucht. Basierend auf numerischen Simulationen, einer maßgeschneiderten Charakterisierung der Kristalle und Kooperationen mit anderen Forschungseinrichtungen werden die experimentellen Randbedingungen weiter optimiert und schlüssige Wachstumsmodelle erarbeitet.

Die Gruppe Aluminiumnitrid arbeitet außerdem im Rahmen von Industriekooperationen an der Entwicklung und Etablierung verbesserter Materialien im PVT-Züchtungsaufbau sowie an der plasmagestützten Herstellung von AlN-Sputtertargets mit.

Schlüsselpublikationen

C. Hartmann, J. Wollweber, S. Sintonen, A. Dittmar, L. Kirste, S. Kollowa, K. Irmscher, M. Bickermann
Preparation of Deep UV Transparent AlN Substrates with High Structural Perfection for Optoelectronic Devices.
CRYSTENGCOMM (2016) 3488 - 3497
doi:10.1039/C6CE00622A

M. Bickermann
Growth and Properties of Bulk AlN
In: M. Kneissl and J. Rass (eds.), III-Nitride Ultraviolet Emitters - Technology and Applications, Springer Series in Materials Science 227 (2016), S. 27 - 46
doi:10.1007/978-3-319-24100-5_2

Martens, F. Mehnke, C. Kuhn, C. Reich, V. Kueller, A. Knauer, C. Netzel, C. Hartmann, J. Wollweber, J. Rass, T. Wernicke, M. Bickermann, M. Weyers, M. Kneissl
Performance Characteristics of UV-C AlGaN Quantum Well Lasers Grown on Sapphire and Bulk AlN Substrates.
IEEE PHOTONIC TECH L 26 (2014) 342 - 345
doi:10.1109/LPT.2013.2293611

C. Hartmann, A. Dittmar, J. Wollweber, M. Bickermann
Bulk AlN Growth by Physical Vapour Transport.
SEMICOND SCI TECH  29 (2014) 084002
doi:10.1088/0268-1242/29/8/084002

T. Paskova, M. Bickermann
Vapor Transport Growth of Wide Bandgap Materials.
In: P. Rudolph (ed.), Handbook of Crystal Growth, Bulk Crystal Growth - Basic Technologies, 2nd Edition, Vol. 2a (2014), 209 - 240
doi:10.1016/B978-0-444-63303-3.00016-X

Arbeitsgruppe Aluminiumnitrid - Methoden

Züchtung von AlN-Volumenkristallen

  • Züchtung von hochreinen AlN-Einkristallen mit bis zu 15 mm Durchmesser und 12 mm Länge mittels Sublimation und Rekondensation (PVT-Züchtungstechnologie) in induktiv beheizten Reaktoren bei Züchtungstemperaturen über 2000°C und N2-Drücken im Bereich 300-900 mbar
  • Züchtung von gezielt dotierten AlN-Kristallen und Mischkristallen mit verschiedenen Techniken der Fremdstoffzugabe
  • Herstellung von TaC-basierten Tiegelmaterialien durch kaltisostatisches Pressen/Sintern
  • Numerische Simulation des PVT-Prozesses zur Optimierung der thermischen Felder sowie des Massetransports mit der Software VirtualReactor
  • Thermodynamische Rechnungen und Experimente zur Materialauswahl im Züchtungsraum (in Kooperation mit der Gruppe chemische & thermodynamische Analyse)
  • Präparation von AlN-Oberflächen zur Keimherstellung sowie chemo-mechanische Politur (CMP) mit dem Ziel von epitaxietauglichen Substratoberflächen (in Kooperation mit der Gruppe Kristallbearbeitung)
  • Design und Bau von AlN-Züchtungsanlagen und Anlagenkomponenten (in Kooperation mit der Gruppe Konstruktion und Anlagenbau)


Charakterisierung von AlN-Kristallen und -Substraten (in Kooperation mit der Sektion Simulation & Charakterisierung)

  • Optische, elektronenmikroskopische und röntgenographische Analyse sowie Rasterkraftmikroskopie und nasschemisches Ätzen zur strukturellen Charakterisierung,
  • Chemische Analyse zum Einbau von Verunreinigungen und Dotierstoffen mittels EDX, RFA und ICP-OES (am IKZ) sowie mittels SIMS und Heißgasextraktion (extern),
  • Spektroskopische und elektrische Analyse zur Auswirkung von Verunreinigungen und Dotierstoffen in AlN-Kristallen mittels optischer Absorption, FTIR, EPR, Kathodo- und Photolumineszenz, temperaturabhängiger Leitfähigkeit und Admittanz.

Arbeitsgruppe Aluminiumnitrid - Publikationen

F. Langhans, S. Kiefer, C. Hartmann, T. Markurt, T. Schulz, Ch. Guguschev, M. Naumann, S. Kollowa, A. Dittmar, J. Wollweber, M. Bickermann
Precipitates Originating from Tungsten Crucible Parts in AlN Bulk Crystals Grown by the PVT Method.    
CRYST RES TECHNOL 51 (2016) 129 - 136            
doi:10.1002/crat.201500201

C. Hartmann, J. Wollweber, S. Sintonen, A. Dittmar, L. Kirste, S. Kollowa, K. Irmscher, M. Bickermann
Preparation of Deep UV Transparent AlN Substrates with High Structural Perfection for Optoelectronic Devices.
CRYSTENGCOMM (2016) 3488 - 3497
doi:10.1039/C6CE00622A

M. Bickermann
Growth and Properties of Bulk AlN. 
In: M. Kneissl and J. Rass (eds.), III-Nitride Ultraviolet Emitters - Technology and Applications, Springer Series in Materials Science 227 (2016), S. 27 - 46
doi:10.1007/978-3-319-24100-5_2

W. Guo, J. Kundin, M. Bickermann, H. Emmerich
A Study of the Step-flow Growth of the PVT-grown AlN Crystals by Multi-scale Modeling Method.
CRYSTENGCOMM 29 (2014) 6564 - 6577
doi:10.1039/C4CE00175C

C. Hartmann, A. Dittmar, J. Wollweber, M. Bickermann
Bulk AlN Growth by Physical Vapour Transport.
SEMICOND SCI TECH  29 (2014) 084002
doi:10.1088/0268-1242/29/8/084002

M. Woll, M. Burianek, D. Klimm, S. Gorfman, M. Mühlberg
Characterization of (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 Grown by the TSSG Method.
J CRYST GROWTH 401 (2014) 351 - 354
doi:10.1016/j.jcrysgro.2013.11.102

Martens, F. Mehnke, C. Kuhn, C. Reich, V. Kueller, A. Knauer, C. Netzel, C. Hartmann, J. Wollweber, J. Rass, T. Wernicke, M. Bickermann, M. Weyers, M. Kneissl
Performance Characteristics of UV-C AlGaN Quantum Well Lasers Grown on Sapphire and Bulk AlN Substrates.
IEEE PHOTONIC TECH L 26 (2014) 342 - 345
doi:10.1109/LPT.2013.2293611

T. Paskova, M. Bickermann
Vapor Transport Growth of Wide Bandgap Materials.
In: P. Rudolph (ed.), Handbook of Crystal Growth, Bulk Crystal Growth - Basic Technologies, 2nd Edition, Vol. 2a (2014), 209 - 240
doi:10.1016/B978-0-444-63303-3.00016-X

Partnerlogo 1

Partnerlogo 2

Partnerlogo 3