Sektion Dünne Oxidschichten

Sektion Dünne Oxidschichten

Mission

Oxidschichten bieten gegenüber Volumenkristallen und Keramiken neue Anwendungsmöglichkeiten als elektrisch aktiver Teil eines Bauelements. Durch den Einbau von Dotierungen sowie Gitterverspannungen ist eine gezielte Anpassung ihrer funktionellen Eigenschaften an gegebene Anforderungen möglich. Kleinere Bauelementstrukturen durch Verwendung dünner epitaktischer Schichten ermöglichen nicht nur Materialeinsparungen, sondern erlauben auch verbesserte Deviceparameter wie höhere Prozessorgeschwindigkeiten und Frequenzen für Filter oder Sensoren. Mit Hilfe von „Remote Epitaxie“ oder Opferschichten können außerdem freitragende Oxidschichten realisiert werden. Diese Schichten können dann zu neuartigen Oxid-Heterostrukturen zusammengefügt werden, die mit herkömmlichen Wachstumsmethoden aufgrund der Unvereinbarkeit von Wachstumsbedingungen (beispielsweise unterschiedliche Gitterparameter oder Symmetrien) nicht hergestellt werden können. Unsere Mission ist es durch Prozessentwicklung einkristalline Oxidschichten mit optimierten, auf die Anwendung zugeschnittenen Eigenschaften, herzustellen.

Forschungsaktivitäten

Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Abscheidung von Oxidschichten mit maßgeschneiderten halbleitenden, dielektrischen oder ferro-/piezoelektrischen Eigenschaften. Dazu stehen am IKZ die Abscheidemethoden der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) und die gepulste Laserdeposition (PLD) zur Verfügung. Unsere Aktivitäten umfassen Oxidschichten mit Schichtdicken zwischen wenigen Nanometern und mehreren Mikrometern mit einem großen Anwendungspotential im Bereich der Hochleistungselektronik, ferroelektrische Speicher-Bauelemente, piezoelektrischen Sensoren und Energiewandler.

Themen

Epitaxie von halbleitendem Gallium-Oxid

Mission

Die moderne Gesellschaft stützt sich auf eine Vielzahl elektrischer und elektronischer Systeme. Dafür muss elektrische Energie möglichst effizient umgewandelt werden. Das Materialsystem β-Ga2O3 hat aufgrund seines hohen Bandabstandes von ca. 4.8 eV und der daraus theoretisch resultierenden hohen Durchbruchfeldstärke die besten Voraussetzungen im Hochleistungssektor das Material der nächsten Generation zu werden. Unsere Mission ist es daher, durch Prozessentwicklung die vorausgesagten Materialeigenschaften zu erreichen um β-Ga2O3 den Weg in die Leistungselektronik zu ebnen.

Forschungsaktivitäten

Für die β-Ga2O3 MOVPE Prozessentwicklung liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Auswirkungen der Wachstumsparameter und der Art der Dotierung auf die elektrischen Eigenschaften der Schichten. Ein weiterer Schwerpunkt ist das homoepitaktische Wachstum auf unterschiedlich orientierten Substraten und dessen Einflusses auf die Erzeugung von Kristalldefekten. Hinzu kommen Untersuchungen zur Erhöhung der Wachstumsrate in Korrelation zur Schichtqualität. Um die positiven Eigenschaften von β-Ga2O3 sogar noch weiter zu verbessern, finden auch Legierungen des Materials mit Aluminium statt.

Angebot: Galliumoxid-Substrate und -Epi-Layer

Download Flyer: „Gallium Oxide – The Next High Performance Material for High Power Devices“

Schlüsselpublikationen

S. Bin Anooz, R. Grüneberg, C. Wouters, R. Schewski, M. Albrecht, A. Fiedler, K. Irmscher, Z. Galazka, W. Miller, G. Wagner, J. Schwarzkopf and A. Popp
Step flow growth of β-Ga2O3 thin films on vicinal (100) β-Ga2O3 substrates grown by MOVPE
Appl. Phys. Lett.116, 182106 (2020)
DOI: 10.1063/5.0005403

T.-S. Chou, P. Seyidov, S. Bin Anooz, R. Grüneberg, J. Rehm, T.T.V. Tran, A. Fiedler, Z. Galazka, M. Albrecht, and A. Popp
High-mobility 4 μm MOVPE-grown (100) β-Ga2O3 film by parasitic particles suppression
Jpn. J. Appl. Phys. 62, SF1004 (2023). [Spotlight Article]
DOI: 10.35848/1347-4065/acb360

T.-S. Chou, P. Seyidov, S. Bin Anooz, R. Grüneberg, M. Pietsch, J. Rehm, T.T.V. Tran, K. Tetzner, Z. Galazka, M. Albrecht, K. Irmscher, A. Fiedler, and A. Popp
Suppression of particle formation by gas-phase pre-reactions in (100) MOVPE-grown β-Ga2O3 films for vertical device application
Appl. Phys. Lett
. 122, 052102 (2023).
DOI: 10.1063/5.0133589

Galliumoxid-Substrate

Dr. Andreas Popp

Dr. Andreas Popp

Tel. +49 30 246 499 312

Verspannte funktionelle Perowskit-Schichten

Mission

Funktionelle Oxidschichten mit Perowskitstruktur weisen abhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur eine Vielzahl von funktionellen Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu Volumenkristallen gibt es in epitaktischen Schichten zusätzliche Freiheitsgrade um die Materialeigenschaften gezielt zu verändern und neue Technologien zu entwickeln. Dazu gehören der Einbau einer Gitterverspannung (Strain Engineering durch Heteroepitaxie) oder das gezielte Einbringen von Defekten (Defect Engineering). Unsere Mission ist es erfolgversprechende Materialien mit Perowskitstruktur, wie das bleifreie, ferro-/piezoelektrische Material Kalium-Natrium-Niobat ((K,Na)NbO3) oder das dielektrische Strontium-Titanat (SrTiO3), in Dünnschichtform für potentielle Anwendungen, z.B. hochsensitive Sensoren, elektro-optische Modulatoren oder neuromorphes Computing, zur Verfügung zu stellen.

Forschungsaktivitäten

In enger Zusammenarbeit mit den Sektionen „Oxide & Fluoride“ und „Experimentelle Charakterisierung“ wachsen wir als weltweit einzige Gruppe (K,Na)NbO3 und SrTiO3 basierte Schichten mit der Methode der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE). Durch den Einbau einer Gitterverspannung oder einer absichtlichen Abweichung von der nominellen Stöchiometrie werden Materialeigenschaften (wie piezoelektrische Konstanten, Phasenübergangstemperatur, dielektrische Permittivität) gezielt modifiziert. Die Filmcharakterisierung mittels Rastersondenmikroskopie-Techniken, wie Piezokraftmikroskopie (PFM) und Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (CAFM), gibt Einblicke in die ferroelektrische Domänenbildung und elektrische Eigenschaften auf der Nanometerskala.

Schlüsselpublikationen

Mohamed Abdeldayem, Chang-Ming Liu, Izaz-Ali Shah, Andreas Fiedler, Detlef Klimm, Martin Albrecht, Jutta Schwarzkopf
Epitaxial Growth of CaTiO3 Thin Films by Metal Organic Vapor Phase Epitaxy for Potential Applications in Memristive Devices
Cryst. Growth Des. 25, 3654 (2025)
DOI: 10.1021/acs.cgd.4c01412

Sijia Liang, Dennis Finck, Marc W. Neis, Jutta Schwarzkopf, Dirk Mayer, Roger Wördenweber
SAW gas sensor based on extremely thin strain-engineered K0.7Na0.3NbO3 films
Appl. Phys. Lett. 119, 112905 (2021)
DOI: 10.1063/5.0060796
 

Yankun Wang, Saud Bin Anooz, Gang Niu, Jinyan Zhao, Martin Schmidbauer, Lingyan Wang, Wei Ren, and Jutta Schwarzkopf
Evolution of domain structure in epitaxial ferroelectric K0.5Na0.5NbO3 films grown by metal-organic vapor-phase epitaxy
Phys. Rev. Mater. 8, 054409 (2024)
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.054409
 

Liyan Dai, Jinyan Zhao, Jingrui Li, Bohan Chen, Shijie Zhai, Zhongying Xue, Zengfeng Di, Boyuan Feng, Yanxiao Sun, Yunyun Luo, Ming Ma, Jie Zhang, Sunan Ding, Libo Zhao, Zhuangde Jiang, Wenbo Luo, Yi Quan, Jutta Schwarzkopf, Thomas Schroeder, Zuo-Guang Ye, Ya-Hong Xie, Wei Ren & Gang Niu
Highly heterogeneous epitaxy of flexoelectric BaTiO3-δ membrane on Ge
Nature Communications 13, 2990 (2022)
DOI: 10.1038/s41467-022-30724-7

Schematische Darstellung des Einflusses von Zug- (links) und Druckspannung (rechts) auf eine Perowskit-Einheitszelle und die Polarisation P

Dr. Jutta Schwarzkopf

Dr. Jutta Schwarzkopf

Tel. +49 30 246 499 308

Sacrificial Layers und freitragende Oxidschichten

Mission

Alternativ zum Strain Engineering durch heteroepitaktisches Filmwachstum auf gitterfehlangepassten Substraten können lokale Gitterverspannungen und Verspannungsgradienten auf der Nanometerskala durch die Bildung künstlicher „Verdrehungsgrenzen“ oder von außen angelegte mechanische Verspannungen in dünnen Oxidfilmen erzeugt werden. Dies wird durch den Transfer und Bonding eines freistehenden ultradünnen Oxidfilms auf einem Einkristallsubstrat mit einem kontrollierten Verdrehungswinkel bzw. Ablegen von freistehenden Oxidschichten auf einem Fremdsubstrat erreicht. Unser Ziel ist es, die Auswirkungen des so erzeugten Versetzungsnetzwerks auf die dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften dünner komplexer Oxide zu erforschen und durch externe Verspannungen die funktionalen Eigenschaften zu tunen.

Forschungsaktivitäten

Um freistehende nanometerdünne Oxidschichten zu erzeugen wird das Konzept der Opferschicht (Sacrificial Layer), hergestellt mit Hilfe der gepulsten Laserdepositionstechnik (PLD), und dem Überwachsen der funktionellen Oxidschicht durch PLD oder MOVPE angewandt. Der Schichttransfer erfolgt mit unserer neu entwickelten Layer-Transferstation, die unter Hochvakuumbedingungen arbeitet (siehe Abschnitt "Nanostrukturen"). Wir wenden verschiedene Röntgenmethoden (siehe „Experimentelle Charakterisierung“) und Rastersondenverfahren an um grundlegende Erkenntnisse über die Defekt- und Domänenbildung nach dem anschließenden Bonden auf einem neuen Substrat oder nach dem Anlegen einer externen Spannung zu gewinnen.

Schlüsselpublikationen

Martin Schmidbauer, Jeremy Maltitz, Ferris Stümpel, M. Hanke, Carsten Richter, Jutta Schwarzkopf, and Jens Martin
Periodic lateral superlattice in bonded SrTiO3/SrTiO3 twisted Perovskites
Appl. Phys. Lett. 126, 101902 (2025)
DOI: 10.1063/5.0251478

Links: Schematische Darstellung von zur Herstellung von künstliche „Verdrehungsgrenzen“ | Rechts: Transferierte SrTiO₃ Schicht (20nm) auf einem SrTiO₃ Substrat mit kleinem Verdrehungswinkel

Dr. Jutta Schwarzkopf

Dr. Jutta Schwarzkopf

Tel. +49 30 246 499 308