Pressemitteilungen

"05-11-2019: Halbleitermaterial Beta-Galliumoxid bietet beste Voraussetzungen für die Leistungselektronik der nächsten Generation"

Das kürzlich gestartete Verbundprojekt „ForMikro-GoNext“ des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ), des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), der Universität Bremen sowie der Industriepartner ABB Power Grids Switzerland Ltd. und AIXTRON beschäftigt sich mit Beta-Galliumoxid (β-Ga2O3). Dieses Halbleitermaterial untersuchen die Projektpartner in einer neuen vertikalen Bauelementarchitektur, um dessen herausragende Eigenschaften für Transistoren noch besser nutzen zu können. Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 2 Mio € über 4 Jahre gefördert.

Galliumoxid ChipAbbildung: Galliumoxid-Chip mit lateralen Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung. „ForMikro-GoNext“ zielt auf eine vertikale Bauelementarchitektur. ©FBH/schurian.com
 

Die moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme, von der Kommunikation über die industrielle Fertigung bis hin zur E-Mobilität. Etwa 80% von ihnen benötigen die Umwandlung von Primärstrom in eine andere Form von Strom. Dafür muss elektrische Energie möglichst effizient umgewandelt werden. Neue Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erreichen eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium, wodurch Bauelemente weit kompakter aufgebaut werden können. Im Vergleich zu SiC und GaN besitzt β-Ga2O3 eine mehr als doppelt so hohe Durchbruchfeldstärke und somit das Potenzial, den Wirkungsgrad von damit bestückten Leistungskonvertern weiter zu steigern. Hohe Spannungen können mit einem deutlich geringeren Materialaufwand geschaltet werden – die Basis für kompaktere Systeme. Hinzu kommt, dass sich β-Ga2O3-basierte Transistoren bei vorgegebener Spannungsfestigkeit durch einen niedrigen Einschaltwiderstand und schnellere Schaltvorgänge auszeichnen, was insgesamt zu geringeren Leistungsverlusten führt. Aufgrund dieser Eigenschaften hat β-Ga2O3 die besten Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden.

Bisher wurden laterale Ga2O3-Bauelemente untersucht. Dabei wird die Spannung über die Bauteil-Oberfläche geschaltet, wodurch große Chipflächen für hohe Spannungen und umfangreiche Maßnahmen zur Isolation der Potentiale auf der Oberfläche notwendig sind. ForMikro-GoNext zielt darauf, die hohe Durchbruchfeldstärke des Materials β-Ga2O3 durch eine vertikale Bauelementstruktur noch effizienter zu nutzen. Durch die bessere Chipflächennutzung eröffnen sich zudem Möglichkeiten zur vergleichsweise einfachen Skalierung der Bauelemente hin zu größeren, technisch relevanten Schaltströmen. Zur Entwicklung dieser Transistoren ist eine angepasste Prozesskette vom Kristallwachstum über Epitaxie und Bauelementprozessierung bis hin zur Charakterisierung notwendig, die innerhalb des Projektes lückenlos abgedeckt wird.

Mit der Bündelung der Expertisen der Leibniz-Institute IKZ (Galliumoxid-Kristallzucht, Epitaxie und Materialcharakterisierung) und FBH (Bauteilentwurf, -fertigung und Test) sollen die Ergebnisse effizient von der Grundlagenforschung in die anwendungsorientierte industrienahe Forschung transferiert werden. Das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen sorgt mit seinen leistungselektronischen Charakterisierungsmöglichkeiten für die qualifizierte Einschätzung des Anwendungspotenzials der neuen Bauelemente. Zuverlässigkeitstests werden Aufschlüsse über die Stabilität der Ga2O3-Transistoren geben. Das Projekt wird von den Industriepartnern ABB Power Grids Switzerland Ltd. und AIXTRON beratend begleitet – AIXTRON im Bereich der Epitaxie, ABB bei Konzeption und Test der Bauelemente.

 

"03-09-2019: Kristallwachstum unter der Lupe - IKZ-Forscher Kaspars Dadzis erhält ERC Starting Grant"

Erstmals in der Geschichte des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) wird der begehrte Zuschuss des Europäischen Forschungsrats (ERC) an einen IKZ-Forscher vergeben. Als einer von insgesamt vier Wissenschaftlern in Deutschland behauptete sich Kaspars Dadzis im Panel "Products and Processes Engineering".

IMG 9577 sentKaspars Dadzis mit dem Demo-Aufbau für einen Kristallwachstumsprozess | Foto: privat
 

Kristallwachstumsprozesse sind hochkomplexe physikalische Phänomene. Häufig wird dabei die numerische Simulation zur Prozessoptimierung eingesetzt. Der Mangel an Möglichkeiten für direkte Messungen innerhalb von Kristallzüchtungsumgebungen schränkt jedoch die erreichbare Genauigkeit der zugrunde liegenden theoretischen Modelle ein. Folglich dominiert immer noch ein experimenteller Trial-and-Error-Ansatz die Praxis der Kristallwachstumsentwicklung. Dies könnte sich in Zukunft durch die Arbeit der Nachwuchsforschergruppe „Modellexperimente” unter der Leitung von Kaspars Dadzis ändern.

Das ausgezeichnete Projekt „Next Generation Multiphysical Models for Crystal Growth Processes (NEMOCRYS)“ widmet sich der Entwicklung einer neuen experimentellen Plattform (dem "MultiValidator"), welche eine einzigartige Kristallzüchtungsanlage für Modellmaterialien beinhaltet. Das zielgerichtete Design des Aufbaus, die reduzierten Betriebstemperaturen und die geringeren Anforderungen an die Vakuumabdichtung ermöglichen einen unkomplizierten experimentellen Zugang für verschiedene In-situ-Messtechniken. Die gleichzeitige Beobachtung von Wärmefeldern, Strömungen, Spannungsverteilungen und anderen physikalischen Phänomenen wird es erstmals ermöglichen, eine Reihe von grundlegenden Annahmen in multiphysikalischen makroskopischen Modellen für das Kristallwachstum zu validieren. Das NEMOCRYS-Projekt hat das Ziel, eine neue Ebene des physikalischen Verständnisses zu erreichen und das Paradigma zu ändern, wie wir Kristallwachstumsprozesse und ähnliche komplexe multiphysikalische Systeme beobachten, beschreiben und entwickeln. Die praktischen Ergebnisse in Form neuer physikalischer Modelle und optimierter Messtechniken werden zur Unterstützung verschiedener Entwicklungsprojekte am IKZ eingesetzt.

Insgesamt 408 Nachwuchsforscher wurden vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des diesjährigen ersten abgeschlossenen ERC-Wettbewerbs gefördert. Die sehr begehrte Förderung soll einzelnen Wissenschaftlern helfen, eigene Teams aufzubauen und wegweisende Forschung über alle Disziplinen hinweg zu betreiben. Die Zuschüsse in Höhe von insgesamt 621 Mio. EUR sind Teil des Forschungs- und Innovationsprogramms der EU, Horizont 2020.

Nach dem Abschluss seiner Promotion arbeitete Kaspars Dadzis in der industriellen Forschung bei SolarWorld in Freiberg mit dem Schwerpunkt Züchtung von Siliziumkristallen für Solarzellen. Im Jahr 2016 wechselte er an das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin-Adlershof. Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Modellversuche und der numerischen Simulation für das Kristallwachstum erhielt er 2017 den "LIMTECH Young Scientist Award".

Über Starting Grants
ERC Starting Grants werden an Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler jeder Nationalität vergeben, die seit ihrer Promotion (oder einem gleichwertigen Abschluss) zwei bis sieben Jahre Erfahrung gesammelt haben und über eine vielversprechende wissenschaftliche Erfolgsbilanz verfügen. Die Forschung muss in einer öffentlichen oder privaten Forschungseinrichtung mit Sitz in einem der EU-Mitgliedstaaten oder assoziierten Länder durchgeführt werden. Die Förderung (maximal 2,5 Mio. € pro Zuschuss, davon bis zu 1 Mio. € zur Deckung außergewöhnlicher Kosten) ist für einen Zeitraum von bis zu fünf Jahren vorgesehen. Die Aufforderungen zur Einreichung von Vorschlägen werden einmal jährlich für jedes Förderprogramm veröffentlicht.

Über ERC
Der Europäische Forschungsrat (ERC), der von der Europäischen Union 2007 gegründet wurde, ist die erste europäische Förderorganisation für exzellente Pionierforschung. Jedes Jahr wählt und finanziert sie die besten, kreativsten Forscher jeder Nationalität und jedes Alters für die Durchführung von Projekten in Europa. Der ERC ist auch bestrebt, Spitzenforscher aus aller Welt für eine Arbeit in Europa zu gewinnen. Bislang hat der ERC rund 9.000 Spitzenforscher in verschiedenen Phasen ihrer Karriere gefördert. Es gibt vier zentrale Förderprogramme: Start-, Konsolidierungs-, Fortgeschrittenen- und Synergiezuschüsse. Der ERC wird von einem unabhängigen Gremium, dem wissenschaftlichen Rat, geleitet. Präsident des ERC ist Prof. Jean-Pierre Bourguignon. Der ERC verfügt über ein Budget von über 13 Milliarden Euro für die Jahre 2014 bis 2020, die Teil des Horizonts 2020 sind, für den der für Forschung, Innovation und Wissenschaft zuständige EU-Kommissar Carlos Moedas zuständig ist.

 

"27.08.2019: Energieeffiziente Leistungselektronik – Galliumoxid-Leistungstransistoren mit Rekordwerten"

Gemeinsame PRESSEMITTEILUNG des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) und des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) im Forschungsverbund Berlin e. V.

Galliumoxid ChipAbbildung: Galliumoxid-Chip mit Transistor- und Messstrukturen, hergestellt am FBH mittels Projektionsbelichtung. ©FBH/schurian.com

Für die Kommunikation der Zukunft, für den digitalen Wandel der Gesellschaft und Anwendungen der künstlichen Intelligenz sind leistungsfähige elektronische Bauelemente unerlässlich. Auf möglichst wenig Fläche sollen sie bei niedrigem Energieverbrauch immer höhere Leistungsdichten erreichen und damit effizienter arbeiten. Herkömmliche Bauelemente stoßen hierbei an ihre Grenzen. Daher forschen weltweit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an neuartigen Materialien und Bauelementen, die diese Anforderungen erfüllen. Dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) ist nun ein Durchbruch mit Transistoren auf der Basis von Galliumoxid (ß-Ga2O3) gelungen.

Die neu entwickelten ß-Ga2O3-MOSFETs (dt. Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) liefern eine hohe Durchbruchspannung bei zugleich hoher Stromleitfähigkeit. Mit 1,8 Kilovolt Durchbruchsspannung und einer Rekord-Leistung von 155 Megawatt pro Quadratzentimeter erreichen sie weltweit einzigartige Kennzahlen nahe dem theoretischen Materiallimit von Galliumoxid. Die erzielten Durchbruchfeldstärken liegen zugleich weit über jenen von etablierten Halbleitern mit großer Bandlücke wie etwa Siliziumkarbid oder Galliumnitrid.

Optimierte Schichtstruktur und Gate-Topologie

Um diese Verbesserungen zu erreichen setzte das FBH-Team an der Schichtstruktur und an der Gate-Topologie an. Die Basis lieferten Substrate aus dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) mit einer optimierten epitaktischen Schichtstruktur. Dadurch  wurden die Defektdichte verringert und die elektrischen Eigenschaften verbessert. Dies führt zu niedrigeren Widerständen im eingeschalteten Zustand. Das Gate ist die zentrale „Schaltstelle“ bei Feldeffekttransistoren, die über die Gate-Source-Spannung gesteuert wird. Dessen Topologie wurde so weiterentwickelt, dass die hohen Feldstärken an der Gate-Kante reduziert werden konnten. Dies wiederum führt zu höheren Durchbruchspannungen. Die detaillierten Ergebnisse wurden am 26.8.2019 online in der Septemberausgabe der IEEE Electron Device Letters publiziert. Direkt zum Paper S.1503.

 Finden Sie die vollständige Pressemitteilung des FVB hier.

 

"21.05.2019 IKZ-News: Ur-Kilogramm abgelöst - Neues Internationales Einheitensystem (SI)
am 20. Mai 2019 in Kraft getreten"

Neben Ampere, Kelvin, Mol und Co. wird ab sofort nun auch das Kilogramm über eine Naturkonstante definiert. Konkret bedeutet dies, dass das seit 130 Jahren als Maß aller Dinge geltende Ur-Kilogramm in Paris ausgedient hat. Ermöglicht wird das durch die am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) gezüchteten Einkristalle aus dem hoch angereicherten Isotop Silizium-28.

Si AnlageIm Kontext des KILOGRAMM-Projekts in einer Floating Zone Anlage gezüchteter Prototyp eines Silizium-28 Einkristalls  (Quelle: IKZ)

Bereits am 16. November 2018 wurde auf der 26. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Paris das neue Internationale Einheitensystem (SI) beschlossen. Nun trat das System am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, offiziell in Kraft. Von jetzt an bilden 7 Naturkonstanten das Fundament allen Messens.

Für das Kilogramm gilt ab sofort die Neudefinition über die Planck-Konstante, und somit wird diese Einheit nicht mehr über die Masse des Ur-Kilogramms bestimmt. Davon profitieren vor allem die Wissenschafts- und Hochtechnologie-Communities. Das IKZ hatte einen entscheidenden Anteil daran, dass das fast 130 Jahre alte künstliche Objekt des Ur-Kilogramms abgelöst wird, denn die am IKZ gezüchteten hochperfekten Kristalle aus nahezu isotopenreinem Silizium-28 (28Si, Anreicherung bis zu 99,9995 %) waren für dieses Vorhaben von entscheidender Bedeutung.

Bei diesen Kristallen haben nahezu alle Atome die gleiche Masse und sind in einem regelmäßigen dreidimensionalen Gitter angeordnet, was eine sehr genaue Zuordnung zwischen der Masse des Kristalls und der Zahl seiner Atome ermöglicht. Aus diesem Zusammenhang konnte der Wert der Avogadro-Konstante mit nie dagewesener Präzision abgeleitet werden und damit als fundamentale Naturkonstante unter anderem zur Definition des Kilogramms herangezogen werden, da mit Hilfe der Avogadro-Konstante die Plank-Konstante genauer bestimmt werden konnte. Im neuen SI wird der Wert der Avogadro-Konstante festgelegt und ein Mol enthält deswegen genau 6,02214076×1023 Einzelteilchen.

Aber das ist noch nicht alles. Insgesamt werden alle 7 Basiseinheiten nun über Naturkonstanten definiert. Bei der Sekunde (mit dem Hyperfeinstrukturübergang des Grundzustands im Cs-Atom), beim Meter (über die Lichtgeschwindigkeit) und bei der Candela (über das photometrische Strahlungsäquivalent einer speziellen Strahlung) ist dies bereits seit vielen Jahrzehnten der Fall. Nun ziehen auch die übrigen Einheiten nach, wobei hier die Elementarladung (für das Ampere), die Boltzmann-Konstante (für das Kelvin), die Avogadro-Konstante (für das Mol) und die Planck-Konstante (für das Kilogramm) die entscheidenden Rollen spielen.

Im Rahmen der von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) geführten „KILOGRAMM“-Projekte wurden aus den im IKZ nach dem Float-Zone-Verfahren (FZ) gezüchteten 28Si-Kristallen mehrere sehr präzise Kugeln mit weniger als 20 nm Formabweichungen bei rund 94 mm Durchmesser und mit einer defektfrei polierten Oberfläche präpariert. Unter diesen Voraussetzungen gelang es der PTB, die Zahl der 28Si-Atome, die eine Kristallkugel von 1 kg Gesamtmasse ergeben mit der geforderten Unsicherheit von weniger als 2 x 10-8 zu bestimmen.


Sie beträgt:        2,152538397 x 1025 Atome Silizium-28    


Um die notwendige Reinheit der aus diesem Material gezüchteten Kristalle zu gewährleisten, sind diverse materialintensive Schmelzzonen-Reinigungsschritte notwendig. Die besonderen Herausforderungen waren deshalb der ca. 1000-fach höhere Materialpreis gegenüber herkömmlichem Silizium sowie die begrenzte Stoffmenge.

Silizium gilt als ein sehr umfassend untersuchtes Halbleitermaterial, das weltweit die Mikroelektronik und damit die Kommunikationstechnologien dominiert. Das IKZ wird weiterhin an den extremen Anforderungen für die weitere Verbesserung der Materialeigenschaften arbeiten, um künftige Anwendungen wie künstliche Intelligenz und Quantentechnologien zu ermöglichen. „Die im Rahmen dieses Metrologie-Projektes entwickelte Expertise des IKZ zu isotopenreinen Si Kristallen erlaubt uns, künftig eine zentrale Rolle als Materialforschungsinstitut bei der Entwicklung innovativer Quantentechnologien einzunehmen“, so Prof. Dr. Thomas Schröder, Wissenschaftlicher Direktor des IKZ.

Si kg

Mehr unter https://www.ptb.de/cms/forschung-entwicklung/forschung-zum-neuen-si/

 

"28.02.2019: G-ray Nanotech und das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
entwickeln gemeinsam Galliumarsenid-Wafer in Detektorqualität"

GAs 01Galliumarsenid-Einkristall 4", gezüchtet
mit der VGF-Methode | Photo: IKZ

Neue Plattform für leistungsstarke Röntgendetektoren:

G-ray Nanotech und das IKZ sind eine Forschungs- und Entwicklungskooperation eingegangen, die die Dotierung von Galliumarsenidstrukturen und die Herstellung von hochreinen Kristallen in Waferform für Detektoranwendungen umfasst.

„Wir freuen uns, mit einem weltweit führenden Institut im Bereich der Materialwissenschaften zusammenzuarbeiten“, sagt Philippe Le Corre, CEO von G-ray Nanotech. „Die Kompetenzen des IKZ werden es uns ermöglichen, den Ausbau unserer latenium™ Detektorarchitektur für Röntgenanwendungen mittlerer bis hoher Energie sowie im Infrarotspektrum deutlich zu beschleunigen.“

G-ray Industries SA, ein Neuchâteler Start-up-Unternehmen, entwickelt derzeit Detektoren ultra-hoher Leistungsfähigkeit für industrielle zerstörungsfreie Prüflösungen. Diese außerordentlich leistungsfähigen Detektoren werden in Zusammenarbeit mit dem CSEM entwickelt und basieren auf der revolutionären, patentierten latenium™-Technologie von G-ray.

Die latenium™ Evaluation Kits sind ab dem ersten Quartal 2019 für Evaluierungszwecke verfügbar. Darüber hinaus werden die G-Ray-Technologien - insbesondere die kovalente Bindung eines Siliziumwafers an einen GaAs, Ge oder Si-Wafer bei niedrigen Temperaturen und das sehr schnelle epitaktische Wachstum von Germaniumstrukturen - in den Bereichen der Hochenergiephysik-Forschung für neue Partikeldetektoren und in Visionssystemen für die Automobilindustrie positioniert.

„Wir freuen uns, eine langfristige Zusammenarbeit mit G-ray Industries zu beginnen“, sagt Prof. Thomas Schröder, wissenschaftlicher Direktor des IKZ. „Wir sind bestrebt, hochleistungsfähige kristalline Materialien für den Markt zu entwickeln, und die hochmoderne Entwicklung von Röntgenbilddetektoren bei G-Ray ist eine gute Gelegenheit für uns. Wir betrachten die 3D-Heterointegration über “bonding”-Ansätze als eine erfolgreiche Strategie für uns, um neue Technologien durch qualitativ hochwertige, präzise zugeschnittene kristalline Materialien zu entwickeln.“

"Mit unserer Expertise in der Materialwissenschaft und -technologie haben wir das G-ray-Team von Anfang an unterstützt. Dies ist eine hervorragende Gelegenheit, eine bahnbrechende Röntgendetektortechnologie auf den Markt zu bringen", sagt Gian-Luca Bona, CEO Empa, der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt.

Weitere Informationen:
FVB-Berlin
G-ray Nanotech SA

 

11.10.2018: Familienfreundlicher Arbeitgeber: Leibniz-Institut für Kristallzüchtung erhält erneut Zertifikat zum audit berufundfamilie

Für weitere 3 Jahre wurde dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) am 30. September 2018 das Zertifikat zum audit berufundfamilie bestätigt. Mit dem Zertifikat wird das Institut für sein Engagement im Bereich der strategisch ausgerichteten familien- und lebensphasenbewussten Personalpolitik ausgezeichnet.

Logo audit beruf familie A4

Voraussetzung für die Zertifizierung ist das erfolgreiche Durchlaufen des von der berufundfamilie Service GmbH angebotenen Auditierungsverfahrens, das einen systematischen Prozess der betrieblichen Vereinbarkeit initiiert und verfolgt. Im Auditierungsprozess wurden die vorhandenen Instrumente zur Unterstützung der Vereinbarkeit von Beruf, Familie und Privatleben evaluiert und weitere unternehmensspezifische Maßnahmen vereinbart.
 
Die erneute Zertifizierung zeigt, dass das IKZ kontinuierlich an einer familienfreundlichen Personalpolitik arbeitet. Das Institut hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Rahmenbedingungen für seine Beschäftigten zu verbessern und ihnen Instrumente an die Hand zu geben, mit denen sich Familie/Privatleben und Beruf besser miteinander vereinbaren lassen. Hierzu gehören z.B. flexible Möglichkeiten zur Gestaltung der Arbeitszeit, ob es sich dabei um die tägliche Arbeitszeit oder eine (vorübergehende) Teilzeitbeschäftigung handelt. Ein Eltern-Kind-Zimmer steht Beschäftigten für die Überbrückung von kurzzeitigen Engpässen zur Verfügung.

 

31.01.2018: Thomas Schröder als neuer Direktor des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung berufen  

Zum 1. Februar 2018 übernimmt Prof. Dr. Thomas Schröder die Leitung des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin-Adlershof. Damit verbunden ist die Professur „Kristallwachstum“ an der Humboldt-Universität zu Berlin. Seit 2013 hat Prof. Dr. Günther Tränkle, Direktor des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), die kommissarische Leitung des Instituts übernommen, unter dessen Führung sich das IKZ zu einem führenden Zentrum für Kristallzüchtung in Europa weiterentwickeln konnte.

Thomas Schröder hält seit 2012 eine Professur für Halbleitermaterialien an der Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg und ist seit 2009 Leiter der Abteilung  Materialforschung am Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP) in Frankfurt (Oder). Hier betreibt er mit seinem Team eine moderne Materialforschung im Bereich der „More than Moore“ Silizium Mikroelektronik. Als studierter Chemiker und Physiker erlangte Thomas Schröder seine Promotion im Bereich der physikalischen Chemie von Dielektrika an der Humboldt-Universität sowie dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin.

Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung erforscht die wissenschaftlichen und technologischen Fragestellungen des Kristallwachstums und der Kristallzüchtung. Dies reicht von der Grundlagenforschung bis hin zu industrienaher Technologieentwicklung. Die am Institut entwickelten Materialien bilden die Basis für moderne technische Anwendungen, die unter anderem in der Mikro-, Opto- und Leistungselektronik, der Photovoltaik, in Optik und Lasertechnik oder der Sensorik zum Einsatz kommen. Zusätzlich erfüllt das Institut eine überregionale Servicefunktion, zu der besonders die Bereitstellung spezieller Kristalle für die Forschung, die Charakterisierung von kristallinen Materialien oder die Entwicklung von Technologien für Forschung und Industrie zählen.

 

22.01.2018: Forscher decken die grundsätzliche Limitierung im Schlüsselmaterial für Festkörperbeleuchtung auf

Zum ersten Mal hat eine internationale Forschungsgruppe den Kernmechanismus aufgedeckt, der den Indium(In)-Einbau in Indium-Galliumnitrid ((In, Ga)N)-Dünnschichten begrenzt - dem Schlüsselmaterial für blaue Leuchtdioden (LED). Die Erhöhung des In-Gehalts in InGaN-Dünnschichten ist der übliche Ansatz, die Emission von III-Nitrid-basierten LEDs in Richtung des grünen und roten Bereiches des optischen Spektrums zu verschieben, welcher für die modernen RGB-LEDs notwendig ist. Die neuen Erkenntnisse beantworten die langjährige Forschungsfrage: Warum scheitert dieser klassische Ansatz, wenn wir versuchen, effiziente grüne und rote LEDs auf InGaN-Basis zu gewinnen?

Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der grünen LEDs und Laser gelang es den Forschern nicht, einen höheren Indium-Gehalt als 30% in den Dünnschichten zu erreichen. Der Grund dafür war bisher unklar: Ist es ein Problem, die richtigen Wachstumsbedingungen zu finden oder eher ein nicht zu überwindender fundamentaler Effekt? Nun hat ein internationales Team aus Deutschland, Polen und China neues Licht auf diese Frage geworfen und den Mechanismus aufgezeigt, der für diese Begrenzung verantwortlich ist.

In ihrer Arbeit versuchten die Wissenschaftler, den Indium-Gehalt zu maximieren, indem sie einzelne atomare Schichten von InN auf GaN züchteten. Unabhängig von den Wachstumsbedingungen haben die Indium-Konzentrationen jedoch nie 25% - 30% überschritten - ein deutliches Zeichen für einen grundlegend begrenzten Mechanismus. Die Forscher verwendeten hochentwickelte Charakterisierungsmethoden, wie das Transmissionselektronenmikroskop mit atomarer Auflösung (TEM) und die In-situ-Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED), und entdeckten, dass, sobald der Indium-Gehalt etwa 25% erreicht, die Atome innerhalb der (In, Ga)N-Monoschicht in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind - eine einzelne Indium-Atomreihe alterniert mit zwei Atomreihen von Gallium-Atomen. Umfassende theoretische Berechnungen ergaben, dass die atomare Anordnung durch eine bestimmte Oberflächenrekonstruktion induziert wird: Indium-Atome sind mit vier benachbarten Atomen verbunden, statt wie erwartet mit drei. Dadurch entstehen stärkere Bindungen zwischen Indium- und Stickstoffatomen, die es einerseits ermöglichen, während des Wachstums höhere Temperaturen zu nutzen und andererseits dem Material eine bessere strukturelle Qualität zu verleihen. Auf der anderen Seite begrenzt die geordnete atomare Anordnung den Indium-Gehalt auf 25%, welcher unter realistischen Wachstumsbedingungen nicht zu überwinden ist.

“Offensichtlich behindert ein technologischer Engpass sämtliche Versuche, die Emission vom grünen in den gelben und roten Bereich der Spektren zu verlagern“, - erklärt Dr. Tobias Schulz, Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Berlin: "Zum Beispiel das Wachstum von InGaN-Filmen auf qualitativ hochwertigen InGaN-Pseudosubstraten, welche die Verspannung in der Schicht reduzieren würden.“

Die regelmäßige Anordnung der Atome kann jedoch helfen, bekannte Grenzen des InGaN-Materialsystems zu überwinden: Lokalisation von Ladungsträgern aufgrund von Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung in der Schicht. Die Züchtung von fest angeordneten (In, Ga)N-Legierungen mit einer stabilen Zusammensetzung bei hohen Temperaturen kann somit die optischen Eigenschaften von Bauelementen verbessern.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (Berlin, Deutschland), dem Max-Planck-Institut für Eisenforschung (Düsseldorf, Deutschland), dem Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (Berlin, Deutschland), dem Institut für Hochdruckphysik (Warschau, Polen) und dem State Key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics (Peking, China).

Der Artikel ist erschienen in:

https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.2.011601

27.03.2017: Berliner Start-up GOLARES erhält Leibniz-Gründerpreis 2017

Die Berliner Ausgründung GOLARES vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Adlershof erhält den Gründerpreis der Leibniz-Gemeinschaft 2017. Die Auszeichnung ist mit einem Preisgeld von 50.000 Euro dotiert, das für die weitere Entwicklung des Unternehmenskonzepts eingesetzt werden kann.

GOLARES hat ein Verfahren zum hochpräzisen und homogenen Beschichten sowie zum effizienten Strukturieren von Bauelementen entwickelt, die zum Beispiel in Lasern oder Sensoren vieler Hightech-Produkte zum Einsatz kommen. Mit einer neuentwickelten Plasmaquelle ist GOLARS in der Lage, dünne Schichten aus Titan- und Aluminiumnitrid herzustellen, die sich durch besondere Härte, Wärmeleitfähigkeit und chemische Beständigkeit auszeichnen. Die so produzierten Wafer bilden die Grundlage für Mikrochips, die in verschiedenen elektronischen und opto-elektronischen Bauelementen verwendet werden.

GOLARES zielt besonders auf innovative kleine und mittelständische Unternehmen, die Plasma-Prozessierung für Kleinserien, Vorversuche und Prototypen, aber auch entsprechende Infrastrukturen nicht selbst vorhalten können. Die dafür eingesetzte Technik verspricht ihnen robustere Produkte mit einer höheren Lebensdauer.

Hinter GOLARES stehen mit Sebastian Golka, einem promovierten Elektroingenieur, und Michael Arens, einem promovierten Physiker, zwei Spezialisten für Plasmaprozesstechnik. Michael Arens bringt dazu Erfahrungen in Vertrieb und Betriebswirtschaft mit.

GOLARES wurde zuletzt mit einem EXIT-Gründerstipendium des Bundeswirtschaftsministeriums für Existenzgründungen aus der Wissenschaft gefördert und vom Gründungsservice Leibniz-Transfer der Leibniz-Gemeinschaft unterstützt. Seit Juni 2016 hat GOLARES als GmbH den operativen Betrieb aufgenommen.

Für den Leibniz-Gründerpreis 2017 waren neben GOLARES drei weitere, hervorragende Gründungsprojekte aus Leibniz-Instituten nominiert, darunter auch MSim – Microelectronic Simulations vom Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik in Berlin (WIAS), das moderne und hochwertige Simulations-Produkte für Hersteller von Halbleiter-Bauelementen anbietet. IKZ und WIAS gehören zum Forschungsverbund Berlin e.V., der in diesem Jahr sein 25-jähriges Bestehen feiert.

Mit dem Gründerpreis der Leibniz-Gemeinschaft werden Ausgründungsvorhaben aus Leibniz-Instituten in der Vorbereitungs- bzw. Start-up-Phase unterstützt. Das Preisgeld ist zweckgebunden für Beratungsleistungen bei der Überprüfung und praktischen Umsetzung der Unternehmenskonzepte. Dabei geht es insbesondere um Herausforderungen wie Markteintritt, Einwerbung einer Finanzierung oder Entwicklung von Marketing- und Vertriebskonzepten. Die Begutachtung der eingereichten Vorschläge erfolgte durch die Preis-Jury der Leibniz-Gemeinschaft, die sich aus leitenden Wissenschaftlern von Leibniz-Instituten und Personen des öffentlichen Lebens zusammensetzt, darunter ausgewiesene Experten für Ausgründungen und Wissenstransfer.

Weitere Informationen zum Leibniz-Gründerpreis unter:
www.leibniz-gemeinschaft.de/ueber-uns/auszeichnungen/leibniz-gruenderpreis/

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