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Ehemalige Forschungs­themen

Meine Forschung in Erlangen (1996-2011)

Die Arbeitsgruppe AlN in Erlangen

Nach seiner Berufung auf den Lehrstuhl Werkstoffwissenschaften 6 an der Universität Erlangen 1992 hat Prof. Dr. Albrecht Winnacker sich mit der Gasphasenzüchtung und Charakterisierung von Halbleitern mit großer Bandlücke (wide bandgap materials) beschäftigt. In den 1990er Jahren wurde dort die Herstellung von SiC-Kristallen entwickelt. Daraus hat sich letztendlich die Firma SiCrystal AG entwickelt. Ich habe am Lehrstuhl studiert und die SiC-Technologie noch mit meiner Diplomarbeit 1998 und meiner Promotion 2002 (siehe auch weiter unten) begleitet.

Ab 2001 arbeiteten Boris Epelbaum und ich an der Züchtung von AlN-Einkristallen - erst in den vorhandenen SiC-Züchtungsanlagen, dann in selbst entwickelten und aufgebauten eigenen Reaktoren. Das Thema war damals völlig neu und nur zwei Gruppen in den USA (und eine in Russland) hatten bereits etwas Erfahrung mit diesem Material. Ich habe Kristalle gezüchtet und mich dann hauptsächlich auf den Anlagenbau und die Probencharakterisierung fokussiert. Daneben habe ich meine akademische Karriere vorangetrieben, Vorlesungen, Übungen und Praktika am Lehrstuhl abgehalten und 2008 über das Thema Aluminiumnitrid habilitiert.

Die Arbeitsgruppe AlN in Erlangen

Im Laufe der Zeit stießen Dr. Octavian Filip und Paul Heimann zu unserem Team (siehe Gruppenbild), sowie Dr. Shunro Nagata, dessen Firma mit uns kooperierte. Auch Dank tatkräftiger Mithilfe von Technikern und Studierenden am Lehrstuhl konnten wir unser Wissen und unsere Technologie so weit ausbauen, dass 2010 die Firma CrystAl-N GmbH ausgegründet werden konnte.

Ich war an der erfolgreichen Einwerbung des EXIST-Forschungstransfers zur Vorbereitung der Firmengründung wesentlich beteligt. Als Gründunggesellschafter der Firma war ich für die Charaktierisierung des AlN-Kristallmaterials und die Einbindung von studentischen Arbeiten zuständig und bin dazu auch an der Universität Erlangen geblieben. Der Ruf an die Technische Universität Berlin 2011 beendete dann mein direktes Engagement, und die Firma wurde nach ersten Erfolgen 2018 wieder aufgelöst. Ich bin am IKZ weiterhin vorrangig in der angewandten, aber vorindustriellen Forschung tätig.

Die Firma CrystAl-N GmbH

AlN-Kristallscheibe der Firma CrystAl-N GmbH

Die Firma CrystAl-N GmbH war eine Ausgründung zur Vorbereitung der kommerziellen Nutzung der Technolgie zur Herstellung von AlN-Kristallen und -Substraten. Zuvor wurden wir vom "Exist-Forschungstransfer"-Programm des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert. Dazu haben wir 2009 erfolgreich am Businessplanwettbewerb des Netzwerks Nordbayern teilgenommen: Sieger der ersten und zweiten Runde sowie Finalist der dritten Runde! Wir sind mit unserer Geschäftsidee auch 2010 Finalist beim Bayerischen Gründerpreis und Sieger des Mittelfränkischen Gründerpreises geworden.

Die persönlichen Gründungsgesellschafter sowie die Universität Erlangen waren von Anfang an investiert, dazu später auch weitere persönliche Investoren, der HighTech Gründerfonds sowie der BayernKapital SeedFonds Bayern. Die Firma hat AlN-Kristalle auf SiC-Keimscheiben hergestellt und AlN-Kristallscheiben kommerziell vermarktet. 2013 erfolgte der Umzug aus dem Gründerzentrum Erlangen-Tennenlohe in den Technolgiepark "Uferstadt" Fürth. Leider war letztendlich kein Industrieunternehmen an der Übernahme der Technologie interessiert.

AlN - Zusammenfassung der Forschungsarbeiten

Die Entwicklung von AlN in Erlangen

Herstellung und Charakterisierung von Aluminiumnitrid-Volumenkristallen (meine Habilitation 2008)

Seit einigen Jahren wird einkristallines Aluminiumnitrid (AlN) als vorteilhaftes Substratmaterial für Epi-Schichten der Gruppe III-Nitride gesehen. Baulelemente, die auf solchen Schichten basieren, stellen einen schnell wachsenden Markt im Bereich der Optoelektronik und Hochfrequenzkommunikation dar. Insbesondere die UV-Optoelektronik würde von der Verwendung von AlN-Substraten stark profitieren, wenn diese in ausreichender Menge, Qualität und Größe verfügbar wären. Das ist immer noch nicht der Fall.

AlN-Volumenkristalle werden am erfolgreichsten durch einen Sublimations-Rekondensationsprozess (PVT-Wachstum) bei Temperaturen über 2000°C gezüchtet. Ein Tiegelaufbau aus Wolframteilen hat sich als sehr stabil gegenüber dem aggressiven Al-Dampf erwiesen und gewährleistet sehr geringe Verunreinigungs-Konzentrationen im gezüchteten Kristall. Wir zeigen, dass ein Massetransport durch die Gasphase und die gerichtete Abscheidung probemlos zu ereichen sind. Die Kornauswahl und -vergrößerung ist jedoch sehr langsam, da die Kristalle dazu neigen, eine säulenförmige Struktur zu bilden. Unter nahezu isothermen Bedingungen wurden freistehende Kristalle von bis zu 25 mm Größe und mit hoher struktureller Qualität hergestellt. Eine Erweiterung des Kristalldurchmessers scheint aber nicht so einfach möglich zu sein, und aufgrund des spezillen Habitus der Kristalle können keine AlN-Substrate aus diese Kristallen hergestellt werden.

AlN-Einkristalle mit größerem Durchmesser werden durch Ankeimen auf SiC-Substraten gewonnen. Leider beschränken in diesem Fall chemische Reaktionen mit SiC die Materialstabilität und führen zu hohen Verunreinigungs-Konzentrationen in den AlN-Kristallen. Da der Züchtungsaufbau während des Kristallwachstums stark degradiert ist die erreichbare Kristalldicke begrenzt. Dennoch wurden solche AlN-Kristalle erfolgreich als Keime für die weitere Züchtung von AlN-Einkristallen mit einem Durchmesser von bis zu 30 mm und einer Höhe von 10 mm verwendet.

So gewachsene Kristalle ist die Dichte der Versetzungen, die die Basisebene durchziehen, im Hauptbereich geringer als 105 cm-2. Allerdings werden vom SiC-Keim und dem daraus hergestellten AlN-Template Kleinwinkelkorngrenzen vererbt. In der Folge entsteht eine Mosaikstruktur aus langgestreckten Subkörnern, die um mehr als 1° von der Hauptorientierung abweichen können. Die strukturelle Qualität ist höher, wenn die Kristalle unter optimierten Bedingungen gezüchtet werden.

Die chemischen Analyse zeigt, dass Sauerstoff unabhängig von der Wachstumsorientierung die dominierende Verunreinigung ist. Darüber hinaus sind Silizium und Kohlenstoff auch in AlN-Kristallen eindeutig nachweisbar, die homoepitaktisch auf dem AlN-Templates gewachsen wurden. Die Wurtzitstruktur von AlN ist stark anisotrop, und da das Wachstum auf verschiedenen Facetten gleichzeitig stattfindet, zeigt der entstehende AlN-Einkristall eine zonale Struktur. Die Zonen zeigen sehr ähnliche Versetzungsdichten und Oberflächenstrukturen, aber wesentliche Unterschiede in der optischen Absorption und der Kathodolumineszenz. Die Aufnahme von Verunreinigungen und die Bildung von intrinsischen Defekten hängt eindeutig von der Zone und der Wachstumsorientierung ab.

Wir zeigen, dass sowohl die Intensität als auch die Position der optischen UV-Absorptionbanden eng mit der violetten Lumineszenz im Energiebereich von 3-4 eV korreliert sind. Durch den Vergleich unserer Daten mit experimentellen Ergebnissen und Modellrechnungen, die in der Literatur veröffentlicht wurden, konnte ein Modell des Defektgehalts in nominal undotierten AlN-Kristallen erarbeitet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Sauerstoffkonzentration im Kristall sowie die Bildung von Aluminiumleerständen in der Reihenfolge Al-polare (0001) Zone, rhomboedrische {1012} Zonen, prismatische {1010} Zonen, N-polare (0001) Zone zunehmen. Gleichzeitig nimmt die Absorption bei 2,8 eV und damit die gelbliche Färbung der Kristallflächen zu.

Im Modell wird weiterhin die Bildung von DX-Zentren von Sauerstoff postuliert. Die zugehörige thermische Aktivierungsenergie von 0,6-0,8 eV ist durch thermisch stimulierte Lumineszenz- und Hochtemperatur-Widerstandsmessungen nachgewiesen. Im Gegensatz dazu ist das Vorhandensein von Stickstoffleerstellen in signifikanten Konzentrationen zumindest für solche Proben fraglich, bei denen der Sauerstoffgehalt das elektrische Verhalten bestimmt.

Zuletzt wurde ein Verfahren für das homoepitaktische Wachstum von AlN-Massenkristallen entwickelt. Die strukturelle Qualität der resultierenden AlN-Substrate ist für die Gruppe III-Nitridepitaxie sehr vielversprechend. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse über das Auftreten und die Verteilung von Defekten in diesem neuartigen Material gewonnen, die bei der weiteren Optimierung des Kristallwachstums in Bezug auf die Anwendbarkeit z.B. in der UV-Optoelektronik helfen können.

SiC - Zusammenfassung der Forschungsarbeiten

Verschiedene dotierte SiC-Kristallscheiben aus Erlangen

Herstellung von semi-isolierenden SiC-Volumeneinkristallen (meine Dissertation 2002)

Das Ziel dieser Arbeit, die Herstellung semi-isolierender Siliziumkarbid-Einkristalle, wurde mittels Vanadiumdotierung realisiert. Durch die geeignete Zugabe von Vanadium zum SiC-Quellmaterial bei der Züchtung von SiC-Kristallen nach dem modified-Lely-Verfahren ist die reproduzierbare Herstellung von SiC-Kristallscheiben mit homogenen elektrischen Eigenschaften, d.h. spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur von mehr als 1010 Ohm-cm, mit großer Ausbeute möglich. Diese Kristallscheiben können als Substratmaterial die elektrischen Eigenschaften von Hochleistungs- und Hochfrequenzbauelementen deutlich verbessern.

Eine ausführliche Untersuchung aller bekannten Störstellen in SiC führt zu dem Ergebnis, dass der Vanadiumdonator am besten geeignet ist, durch seine bandmittige Störstelle flache Dotierstoffe zu kompensieren und semi-isolierendes Verhalten mit mehr als 1015 Ohm-cm bei Raumtemperatur zu erzeugen. Da Vanadium als amphoterer Dotierstoff in SiC wirkt, ist es notwendig, einen leichten Über-schuss an flachen Akzeptoren im Kristall zu erzeugen, um diese dann mit Vanadium zu kompensieren. Andererseits führt die Aktivierung des Vanadium-Akzeptorniveaus bei Kompensation mit flachen Donatoren ebenfalls zu semi-isolierendem Verhalten, allerdings bei niedrigeren spezifischen Widerständen bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 1011 Ohm-cm.

Ausschlaggebend für die Entwicklung des Herstellungsprozesses für semi-isolierendes SiC sind die bei der nominell undotierten Züchtung eingebrachten Verunreinigungen. Stickstoff, der molekular an den Materialien des Züchtungsausbaus adsorbiert ist, dominiert als flacher Donator die elektrischen Eigenschaften. Er desorbiert während der Züchtung und wird zeitlich inhomogen, exponentiell mit der Züchtungszeit abnehmend, in den Kristall einge-baut. Durch die Entwicklung und Verbesserung eines Hochvakuum-Ausheizschrittes vor der Züchtung ist es gelungen, die Stickstoffkonzentration in keimfernen Kristallbereichen auf bis zu 4 x 1016 cm-3 abzusenken, zu Beginn der Züchtung werden jedoch über 1 x 1018 cm-3 gemessen.

Mit dem Ziel, einen leichten Überschuss an Akzeptoren im Kristall zu erzeugen, wurde die Dotierung mit Bor über eine Zugabe von Borkarbid direkt zum SiC-Pulver untersucht. Dieser Prozess ist effizient - die Transferkoeffizienten liegen je nach Konfiguration bei k = 0,1 ... 0,22 - und ermöglicht einen konstanten Boreinbau während der Züchtung. Dies wurde über die Auswertung temperaturabhängiger Halleffektmessungen an mehreren Kristallen mit unterschiedlicher Borzugabe nachgewiesen. Die elektrischen Eigenschaften bordotierter Kristalle werden vor allem bei niedriger Borzugabe von dem zeitlich in-homogenen Stickstoffeinbau deutlich beeinflusst. Dennoch ist die Herstellung bordotierter Kristallscheiben mit homogenen elektrischen Eigenschaften gelungen.

Die Dotierung mit Vanadium wurde ebenfalls über die Zugabe von Vanadiumkarbid zum SiC-Pulver realisiert. Dieser Prozess ist ineffizient, da die Vanadiumspezies schnell verdampfen und somit die Vanadiumkonzentration im Kristall während der Züchtung über bis zu drei Größenordnungen abnimmt. Durch die Zugabe in einem Innentiegel und eine leichte Absenkung der Züchtungstemperatur kann das Verdampfen der Vanadiumspezies begrenzt und ein nahezu homogener Vanadiumeinbau während der Züchtung erreicht werden. Auch kann die Bildung von Vanadiumkarbidausscheidungen, die aufgrund der Überschreitung der maximalen Löslichkeit von Vanadium von 5 x 1017 cm-3 vor allem zu Beginn der Züchtung in den Kristallen auftreten, begrenzt werden.

In vanadiumdotierten Kristallen werden die elektrischen Eigenschaften durch den Vanadiumakzeptor bestimmt, der die flachen Stickstoffdonatoren kompensiert. Mit Absorptions- und ESR-Messungen können die aktiven Vanadium-Ladungszustände identifiziert werden. Messungen des Halleffekts und des spezifischen Widerstands bestätigen homogene elektrische Eigenschaften sowie semi-isolierendes Verhalten mit Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich von 108 cm-3, spezifische Widerstandswerte um 1011 Ohm-cm und einer Aktivierungsenergie von EA > 700 meV bei Raumtemperatur in den Kristallscheiben.

Es wurden Kristalle mit einer Co-Dotierung von Vanadium und Bor hergestellt, in denen die elektrischen Eigenschaften durch den Vanadiumdonator bestimmt sind. Der nutzbare semi-isolierende Bereich besitzt Aktivierungsenergien zwischen 1,2 eV und 1,8 eV und weist extrem hohe, bei Raumtemperatur durch Leckströme und schlechte Kontakte begrenzte spezifische Widerstände auf. Er wird durch die hohe Stickstoffkonzentration und die Präzipitatbildung zu Beginn der Züchtung sowie durch den nachlassenden Vanadiumeineinbau am Züchtungsende begrenzt. Durch Optimierung der Co-Dotierung ist es gelungen, den semi-isolierenden Bereich in den Kristallen deutlich zu vergrößern.

Das von einigen Forschergruppen entwickelte hochreine semi-isolierende SiC ohne Vanadiumdotierung, in dem die Kompensation durch intrinsische Defekte erfolgt, zeigt Wege auf, die Herstellung von semi-isolierenden SiC-Einkristallen weiter zu optimieren: Eine weitere Absenkung der Verunreinigungskonzentrationen und die Untersuchung alternativer Störstellen zur Kompensation in der Volumenkristallzüchtung können, zusammen mit der Verbesserung der Homogenität des Vanadiumeinbaus, als vordringlichste Aufgaben angesehen werden.