Sektion Dünne Oxidschichten

Sektion Dünne Oxidschichten

Mission

Epitaktische Oxidschichten bieten gegenüber Volumenkristallen und Keramiken neue Anwendungsmöglichkeiten als elektrisch aktiver Teil eines Bauelements. Durch den Einbau von Dotierungen sowie Gitterverspannungen ist eine gezielte Anpassungen ihrer funktionellen Eigenschaften an gegebene Anforderungen möglich. Kleinere Bauelementstrukturen in dünnen Schichten ermöglichen nicht nur Materialeinsparungen, sondern erlauben auch verbesserte Deviceparameter wie höhere Prozessorgeschwindigkeiten oder höhere Frequenzen für Filter oder Sensoren . 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

Nachwuchsgruppe "Epitaxie von halbleitendem Gallium-Oxid"

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.

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. Zukünftig sind auch Legierungen des Materials mit Aluminium geplant um die positiven Eigenschaften von β-Ga2O3 sogar noch weiter zu verbessern.

Saud Bin Anooz, Raimund Grüneberg, Ta-Shun Chou, Andreas Fiedler, Klaus Irmscher, Charlotte Wouters, Robert Schewski, Martin Albrecht, Zbigniew Galazka, Wolfram Miller, Jutta Schwarzkopf, Andreas Popp
Impact of chamber pressure and Si-doping on the surface morphology and electrical properties of homoepitaxial (100) β-Ga2O3 thin films grown by MOVPE
J. Phys. D: Appl. Phys
DOI: 10.1088/1361-6463/abb6aa

Saud Bin Anooz, Raimund Grüneberg, Charlotte Wouters, Robert Schewski, Martin Albrecht, Andreas Fiedler, Klaus Irmscher, Zbigniew Galazka, Wolfram Miller, Günter Wagner, Jutta Schwarzkopf, Andreas 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

Saud Bin Anooz, Andreas Popp, Raimund Grüneberg, Charlotte Wouters, Robert Schewski, Martin Schmidbauer, Martin Albrecht, Andreas Fiedler, Manfred Ramsteiner, Detlef Klimm, Klaus Irmscher, Zbigniew Galazka, Günter Wagner
Indium incorporation in homoepitaxial β-Ga2O3 thin films grown by metal organic vapor phase epitaxy
J. Appl. Phys. 125, 195702 (2019)
DOI: 10.1063/1.5090213

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Dr. Andreas Popp

Tel. +49 30 6392 2844

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Resistives Schalten in SrTiO₃-Dünnschichten

Für die Verwendung von SrTiO3-Dünnschichten für elektronische Anwendungen ist ein grundlegendes Verständnis des Wachstumsprozesses und der daraus resultierenden Defekte, insbesondere der Sauerstoffleerstellen, und Grenzflächenphänomene unabdingbare Voraussetzung. Trotz langjähriger experimenteller und theoretischer Bemühungen ist dieses Verständnis bisher noch begrenzt. Unsere Mission ist es daher, das epitaktische Schichtwachstum von SrTiO3 und das resistive Schalten in Abhängigkeit von Wachstumsparametern und der Wahl des Substrats fundamental zu untersuchen und gezielt zu steuern.

Die Abscheidung der SrTiO3-Schichten mit der metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) ermöglicht eine höhere Materialperfektion im Hinblick auf geringere Defektdichten, glattere Oberflächen/Grenzflächen und geringere Leerstellendichten im Vergleich zur gepulsten Laserabscheidung (PLD). In Zusammenarbeit mit der Sektion „Experimentelle Beschreibung“ werden die elektrischen und strukturellen Eigenschaften epitaktischer SrTiO3-Schichten in Abhängigkeit der Wachstumsparameter sowie der Einfluss der n-Typ Dotierung systematisch untersucht.

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Aykut Baki

Tel. +49 30 6392 3043

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Halbleitende BaSnO₃-Schichten

Ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) auf der Basis von komplexen Oxiden haben Vorteile gegenüber herkömmlichen Transistoren durch den geringen Stromverbrauch, höhere Schaltgeschwindigkeiten, höhere Speicherdichten und Nichtflüchtigkeit. Für eine solche Anwendung gilt besonders Barium-Stannat (BaSnO3) mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit als ein geeignetes Oxidmaterial. Unsere Mission ist die Optimierung von Wachstumsbedingungen von BaSnO3 und LaInO3 Schichten im Hinblick auf hohe Ladungsträgerdichten und –beweglichkeiten für die Realisierung eines FeFET.

Eine unserer Aktivitäten innerhalb des Projektes „BaStet“ konzentriert sich auf den Einfluss der Abscheidebedingungen in der gepulsten Laserdeposition (PLD) auf die Phasenreinheit und strukturelle Qualität der Schichten sowie auf die Ladungsträgerdichte und -beweglichkeit in den BaSnO3- und LaInO3-Schichten. In Kooperation mit der Sektion „Oxide & Fluoride“ kommen verschiedenen Oxidkristalle als Substrate für die epitaktische Abscheidung zum Einsatz, da über eine kleinere Gitterfehlanpassung eine Reduzierung der Defektdichte in den Schichten erreicht werden soll.

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Daniel Pfützenreuter

Tel. +49 30 6392 3043

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Piezo-/ferroelektrische Eigenschaften von verspannten (K,Na)NbO₃-Schichten

Ferro- und piezoelektrische Oxidschichten spielen eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien, wie z.B. akustische Oberflächenwellensensoren mit extrem hoher Empfindlichkeit, nichtflüchtige Speicher, MEMS. Die seit langem marktbeherrschenden piezo-/ferroelektrischen Materialien sind Oxide auf Bleibasis, die giftig sind und daher in vielen Ländern nur eingeschränkt verwendet werden können. Unsere Mission ist es, die ferro-/piezoelektrischen Eigenschaften eines der vielversprechendsten bleifreien Materialsysteme (K,Na)NbO3 in Dünnschichtform zu erforschen und das Material für potenzielle Anwendungen bereitzustellen.

Das Wachstum von Epitaxieschichten auf gitterfehlanpassten Oxidsubstraten ermöglicht den Einbau einer Gitterverspannung und damit die Beeinflussung ihrer ferro- und piezoelektrischen Eigenschaften (wie Curie-Temperatur und piezoelektrische Konstanten). Dies wird durch eine enge Zusammenarbeit mit der Sektion "Oxide & Fluoride" ermöglicht. Wir wachsen die Schichten epitaktisch mit Hilfe der gepulsten Laserabscheidung und als weltweit einzige Gruppe mit der Methode der metall-organischen Gasphasenepitaxie. Die Filmcharakterisierung mittels Piezokraftmikroskopie gibt Einblicke in die ferroelektrische Domänenbildung in Abhängigkeit der Gitterverspannung.

Leonard von Helden, Laura Bogula, Pierre-Eymeric Janolin, Michael Hanke, Tobias Breuer, Martin Schmidbauer, Steffen Ganschow, and Jutta Schwarzkopf,
Huge impact of compressive strain on phase transition temperatures in epitaxial ferroelectric KxNa1-xNbO3 thin films
Appl. Phys. Lett. 114, 232905 (2019)
DOI: 10.1063/1.5094405

Dorothee Braun, Martin Schmidbauer, Michael Hanke and Jutta Schwarzkopf
Hierarchy and scaling behavior of multi-rank domain patterns in ferroelectric K0.9Na0.1NbO3 strained films
Nanotechnology 29, 015701 (2018)
DOI: 10.1088/1361-6528/aa98a4

Jutta Schwarzkopf, Dorothee Braun, Michael Hanke, Reinhard Uecker and Martin Schmidbauer
Strain engineering of ferroelectric domains in KxNa1-xNbO3 epitaxial layers
Front. Mater. 4, 26 (2017)
DOI: 10.3389/fmats.2017.00026

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Dr. Jutta Schwarzkopf

Tel. +49 30 6392 3053

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„2D goes 3D” by Layer Transfer

Mit Layer-Transfer hat sich ein neues Paradigma für den Bau von kristallinen Materialien etabliert. Damit können neuartige Heterostrukturen hergestellt werden, die nicht mit herkömmlichen Methoden möglich sind wegen Unvereinbarkeit der Wachstumsbedingungen, z.B. unterschiedliche Gitterparameter oder Symmetrien. Wir streben einen flexiblen Ansatz an, der kompatibel zu Anforderungen der Grundlagenforschung als auch von Anwendungen ist, und suchen Synergien mit akademischen und industriellen Partnern.

Zurzeit bauen wir eine Layer-Transferstation für HV-Bedingungen auf mit der Zielsetzung eines vollständig ferngesteuerten Transferprozesses. Wir werden mit exfolierten 2D-Kristallen sowie epitaktischen Filmen mit bis zu 2“ Durchmesser arbeiten. Für die Grundlagenforschung sind emergente Phasen in stark wechselwirkenden elektronischen Systemen besonders interessant. Für Anwendungen können in einem Hybrid-Ansatz die besten Materialien für optimale Performance kombiniert werden.

Hao Chen, Pinjia Zhou, Jiawei Liu, Jiabin Qiao, Barbaros Oezyilmaz, Jens Martin
Gate controlled valley polarizer in bilayer graphene
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-020-15117-y

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Dr. Jens Martin

Tel. +49 30 6392 2857

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