Sektion Halbleiter

Sektion Halbleiter

Mission

Als eines der weltweit führenden Forscherteams auf dem Gebiet der Halbleiter-Einkristalle konzentrieren wir uns auf Spitzenforschungsthemen für wichtige Schlüsseltechnologien wie Quantencomputing, Leistungselektronik, Silizium-Photonik und arbeiten darüber hinaus kontinuierlich an der Züchtung konventioneller Halbleiter der Gruppen IV und III-Vs. Weiterhin liegen unsere Kompetenzen in der Entwicklung eines 8-Zoll-Float-Zone-Systems für Silizium (Si) sowie den Einsatz unserer KristMAG® -Technologie im Vertical Gradient Freeze (VGF)- und Czochralski-Verfahren (Cz). Wir liefern Kristalle mit kundenspezifischen Eigenschaften an akademische Einrichtungen für Kooperationen oder als Dienstleistung. Außerdem arbeiten wir eng mit unseren Industriepartnern zusammen, um die Produktionseffizienz zu steigern.  

Forschungsaktivitäten

Neben dem Erfolg des 28Si-Kilogramm-Prototypen-Projekts leisten wir einen wertvollen Beitrag zu den internationalen gemeinsamen Forschungsprojekten wie ultrahochreines Germanium für die Detektion des neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfalls, Si-Fasern und Si-Spiegel für das Einstein-Teleskop zur Detektion von Gravitationswellen. Wir stellen isotopenangereicherte und ultrahochreine, hochkristalline Si-Einkristalle hoher Perfektion mit der Float-Zone-Methode und den damit verbundenen tiegelfreien Wachstumsprozessen her. Wir widmen uns außerdem der Prozessentwicklung und Optimierung der VGF- und Cz-Züchtungstechnologie für III-Vs bzw. Si, insbesondere unter Verwendung nichtstationärer Magnetfelder zur Kontrolle der unerwünschten Verunreinigungen und Defekte. Ebenso präparieren wir Germanium-Einkristalle mit hohem Dotierungsgrad.

Sektionsleitung

PD Dr. habil. R. Radhakrishnan Sumathi

Tel. +49 30 6392 3127

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Themen

Nachwuchs-Forschungsgruppe "III-V Halbleiter für 5G & 6G"

Verbindungshalbleiter der Gruppe III-V, insbesondere InP und GaAs sind die Materialien der Zukunft für mikroelektronische und photonische Bauteile in 5G und 6G Technologien. Die III-V Substrate ermöglichen die Erschließung von Hochfrequenzbereichen und Echtzeitübertragung für die nächste Mobilfunkgeneration. Im Fokus der Aktivitäten steht die Entwicklung einer optimierten Züchtung hochqualitativer Einkristalle mit anwendungsspezifischen Eigenschaften in engem Kontakt mit Partnern aus der Bauelemententwicklung. Die Optimierungsstrategien sollen basierend auf der systematischen Untersuchung von Kristalleigenschaften im Zusammenhang mit der chemischen Materialzusammensetzung entworfen werden.

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Dr. Karoline Stolze

Tel. +49 30 6392 3121

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FZ-Si

Silizium (Si)-Einkristalle von höchster Reinheit und Perfektion sind von entscheidender Bedeutung für anspruchsvolle Anwendungen in der Leistungselektronik, der Photonik oder in der Grundlagenforschung. Das Floating-Zone (FZ) Verfahren ist für die Züchtung solcher Kristalle prädestiniert. Unser Ziel ist es, FZ Know-how, Züchtungsmethoden und maßgeschneiderte Kristalle für neue Technologien bereitzustellen, die Trends wie Elektromobilität, intelligente und erneuerbare Energie oder das aufkommende Feld des Quantumcomputing voranbringen. 

Unsere Aktivitäten beinhalten die Weiterentwicklung des FZ und verwandten tiegelfreien Züchtungsverfahren, z.B. Pedestal Methode, Silizium Granulat Eigentiegelverfahren (SiGrEt). Für Partner aus Wissenschaft und Industrie züchten wir versetzungsfreie Kristalle mit sehr hohem Widerstand (> 10kΩ∙cm) und hoher Reinheit oder gezielter Dotierung, z.B. mit B, P, Bi, Ga, Al, Sb, Au, N. Dafür stehen uns FZ Anlagen für Kristalle mit einem Durchmesser von einigen mm bis 200 mm zur Verfügung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der Züchtung von isotopenreinen 28Si-Einkristallen.

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Dr.-Ing. Robert Menzel

Tel. +49 30 6392 3071

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Cz-IV

Die Gruppe Czochralski (Cz) ist spezialisiert auf die Züchtung von Halbleiterkristallen der Gruppe-IV, Silizium (Si), Germanium (Ge) und den damit verbundenen Legierungen für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Elektronik, Photonik, Plasmonik, Thermoelektrik und effizienten Röntgen- und γ-Strahlenmonochromatoren. Als Mitglied der internationalen GERDA/LEGEND-Kooperation streben wir außerdem die Herstellung ultrahochreiner Ge-Einkristalle an, die als Strahlungsdetektoren in astrophysikalischen Studien bei der Suche nach einem grundlegenden Verständnis des Universums verwendet werden sollen. Der Schwerpunkt liegt hierbei darin, die Entwicklung und Etablierung der gesamten Wertschöpfungskette im Bereich der Prozesstechnologie unter einem Dach abzuwickeln. 

  • Züchtung von ultrahochreinen Ge-Einkristallen (n < 1011 cm-3), einschließlich der Reduktion von natürlichem GeO2, isotopisch angereichertem 76GeO2 zu Ge sowie Zonenreinigung von Ge bis zu 12N
  • Züchtungsoptimierung von hochdotierten (n > 1018 cm-3) Ge-Kristallen unter Verwendung einer neuartigen Gasphasen-Dotierungstechnik für THz-Plasmonika-Anwendungen
  • Si, Ge-Kristalle, die spezifisch dotiert sind mit exotischen Dotierstoffen wie Magensium oder Bismuth für ihre Ladungsträgerdynamischen Studien mit Freie-Elektronen-Lasern dotiert sind
  • SiGe-Mosaikkristalle und Gradientenkristalle für Synchrotron-Strahllinienoptik; GeSn- und SiGeSn-Kristalle für photonische Anwendungen

Kevin-P. Gradwohl, Andreas N. Danilewsky, Melissa Roder, Martin Schmidbauer, Jozsef Janicskó-Csáthy, Alexander Gybin, Nikolay Abrosimov, R. Radhakrishnan Sumathi
Dynamical X-ray diffraction imaging of voids in dislocation-free high-purity germanium single crystals
Journal of Applied Crystallography 53 (2020) 880-884
DOI: 10.1107/S1600576720005993

Kevin-P. Gradwohl, Alexander Gybin, József Janicskó-Csáthy, Melissa Roder, Andreas N. Danilewsky, R. Radhakrishnan Sumathi
Vacancy Clustering in Dislocation-Free High-Purity Germanium
Journal of Electronic Materials volume 49 (2020) 5097–5103
DOI: 10.1007/s11664-020-08260-1

R. Radhakrishnan Sumathi, Nikolay Abrosimov, Kevin-P. Gradwohl, Matthias Czupalla, Jörg Fischer
Growth of heavily-doped Germanium single crystals for mid-Infrared Applications
Journal of Crystal Growth 535 (2020) 125490
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2020.125490

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PD Dr. habil. R. Radhakrishnan Sumathi

Tel. +49 30 6392 3127

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VGF-III-V

Galliumarsenid (GaAs) ist neben Silizium (Si) das am häufigsten genutzte Halbleitermaterial und steht vorrangig im Mittelpunkt der Arbeiten. Die Aktivitäten fokussieren sich zum einem auf die technologische Weiterentwicklung des Vertical Gradient Freeze (VGF) - Prozesses unter Einsatz von Magnetfeldern, z.B. zur Steigerung der Prozesseffizienz. Dabei ist eine definierte Kontrolle der Strömung von entscheidender Bedeutung. Ein weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen besteht in der VGF Züchtung von III-V-Einkristallen mit definierten Eigenschaften für die Grundlagenforschung als auch für Spezialanwendungen wie z.B. Detektoren.

  • Vertical Gradient Freeze (VGF)- Züchtung von III-V-Einkristallen (ø = 4“) unter Nutzung eines KristMAG®-Heizer-Magnet-Moduls (HMM) 
  • Züchtung und Charakterisierung von III-V-VGF-Einkristallen mit Sonderspezifikationen für Forschung und Industrie
  • Prozessentwicklung und Optimierung der VGF-Züchtungstechnologie
  • Durchführung von Machbarkeitsstudien für den Einsatz der KristMAG® -Technologie
  • Untersuchungen zum Dotierungs- und Verunreinigungseinbau in Kristallen unter Einfluss externer Felder, wie z.B. Magnetfeld und Ultraschall

Christiane Frank-Rotsch, Natasha Dropka, Alexander Glacki, Uta Juda
VGF growth of GaAs utilizing heater-magnet module
Journal of Crystal Growth
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2013.12.063

Christiane Frank-Rotsch, Natasha Dropka, Peter Rotsch
III Arsenide
In Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Single Crystals of Electronic Materials,
Woodhead Publishing
DOI: 10.1016/B978-0-08-102096-8.00006-9

Christiane Frank‐Rotsch, Natasha Dropka, Frank‐Michael Kießling, Peter Rudolph
Semiconductor Crystal Growth under the Influence of Magnetic Fields
Crystal Research and Technology
DOI: 10.1002/crat.201900115

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Dr. Christiane Frank-Rotsch

Tel. +49 30 6392 3031

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KristMAG® - Si

Siliziumkristalle für Solarzellen werden großtechnisch mittels des Czochralski-Verfahrens und der gerichteten Erstarrung mit deutlich verschiedenen Materialqualitäten und Herstellungskosten produziert. In der Photovoltaikindustrie richtet sich der Fokus auf höhere Wirkungsgrade, und damit verbunden auf das Ziel, lebensdauerreduzierende Defekte zu verringern. Der Kristallisationsprozess ist ursächlich für die Entstehung der meisten Defekte verantwortlich. Qualitätserhöhungen gelingen durch den gezielten Einsatz von Wandermagnetfelder, erzeugt durch KristMAG® Heizer-Magnet-Module. Die KristMAG® Technologie wurde mit dem Innovationspreis Berlin Brandenburg ausgezeichnet.

  • Prozessentwicklungen für Silizium nach der Vertical Gradient Freeze-Methode (VGF) und dem Czochralski-Verfahren (Cz) in wandernden Magnetfeldern
  • Optimierung der Schmelzenströmungen, um die Wachstumsbedingungen an der fest-flüssigen Phasengrenze (Morphologie und Form) zu verbessern
  • Kontrolle der Strömungsverhältnisse und Fremdstoffverteilungen, insbesondere Sauerstoff und Kohlenstoff, in Siliziumschmelzen unter dem Einfluss verschiedener nichtstationärer Magnetfelder
  • Züchtung von G1 (15 kg) high-performance mc-Si, multikristallinen (mc) und quasi-mono Si-Blöcken und 4“ bis 6“ KristMAG®-Cz-Si-Einkristallen

Kontakt

Dr. Frank-Michael Kießling

Tel. +49 30 6392 3033

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