Kristallzüchtung von Nitrid-Einkristallen mit hoher Reinheit (FOR 1600)
Third Party Funds Group - Sub project
Acronym: FOR 1600
Start date : 01.09.2011
End date : 31.12.2014
Extension date: 31.12.2017
Website: https://www.fau.de/forschung/forschungseinrichtungen/dfg-einrichtungen/forschergruppen/
Overall project details
Overall project
FOR 1600: Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden
Project details
Short description
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Die Ammonothermal-Synthese stellt ein vielversprechendes Verfahren für die Herstellung von Nitrid-Materialien dar, zu dem auch das Halbleitermaterial Galliumnitrid gehört.
Die 2011 gegründete DFG-Forschergruppe „Chemie und Technologie der Ammonothermal-Synthese von Nitriden“ hat sich zur Aufgabe gemacht ein elementares Verständnis für die Ammonothermal-Synthese zu entwickeln, um die Grundlagen für eine gezielte Kristallzucht von Nitriden mit hoher Qualität zu legen.
Der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) übernehmen innerhalb der Forschergruppe die Entwicklung eines geeigneten Kristall-Züchtungsprozesses für die saure und basische Ammonothermal-Synthese. Neben dem Aufbau einer Autoklavenstation mit Halbleiterreinheit, hat die thermische Simulation und die Entwicklung entsprechender Modelle für den Wärme– und Stofftransport einen hohen Stellenwert. Die Modelle werden während der gesamten Projektlaufzeit ständig verfeinert und mit Hilfe von in-situ Messungen validiert. Dieses Teilprojekt (TP6) besitzt damit auch eine starke Querschnittsaufgabe, indem die Erkenntnisse der anderen Arbeitsgruppen zusammengeführt werden, um ein ganzheitliches Bild der Vorgänge im Reaktor zu erhalten.
Bei der Ammonothermalsynthese von Kristallen handelt es sich um ein Hochdruck-Lösungszüchtungsverfahren in überkritischem Ammoniak basierend auf dem Prinzip der Hydrothermal-Synthese, welche bereits Großindustriell für die Züchtung von Quarzkristallen eingesetzt wird. Über die Zugabe von sog. Mineralisatoren wird die Löslichkeit des herzustellenden Materials in überkritischem Ammoniak durch die Bildung von löslichen Verbindungen gesteuert. Die Wahl des Mineralisators entscheidet dabei über Lösungsverhalten, Verunreinigung, Wachstumskinetik usw. Die Vorgänge während der Züchtung wurden dabei erst teilweise verstanden, da ein hoher Betriebsdruck (100-300 MPa) bei Temperaturen zwischen 400-550°C den Einsatz herkömmlicher in-situ Messtechnik verhindert. Die Ammonothermal Forschergruppe soll hier einen entscheidenden Beitrag zum tieferen Verständnis der Ammonothermal-Synthese von Nitriden liefern.
Scientific Abstract
Das Projekt befasst sich in der zweiten Antragsperiode mit dem Ausbau und der Weiterentwicklung des ammonosauren bzw. -basischen Basisprozess für die Züchtung von größeren Nitrid-Einkristallen. In diesem Zusammenhang sollen nun auch die Ergebnisse der anderen Teilprojekte auf die Basisprozesse angewendet werden, um optimale Bedingungen nach den neuesten Erkenntnissen herzustellen und ein ganzheitliches Bild der Vorgänge während der Züchtung zu erhalten. Es werden die Quellen und der Transport unerwünschter Verunreinigungen erfasst und deren Einbau in den Festkörper in Abhängigkeit von Prozessparametern und eingestellten Chemismus des Züchtungssystems untersucht. Begleitend zu den experimentellen Arbeiten werden die Strömungsmuster und der Einfluss von Prozessparameter auf Temperatur- und Strömungsverteilung mit Hilfe von 3D Simulationen weiter untersucht, um bisher in der Literatur nicht berücksichtigte Effekte einzubeziehen. Zusätzlich soll ein chemisches Modell des ammonothermalen Systems entwickelt werden, welches bisher nicht berücksichtigte Punkte wie z . B. Rücktransport des Mineralisators, Verteilung und Transport chemischer Spezies, betrachtet. Ein solches Modell liegt bisher nicht vor.Im weiteren Verlauf des Projekts sollen die bisher gewonnen Erkenntnisse über die Ammonotherma lsynthese auf neue funktionale Nitride übertragen werden . Erste Untersuchungen zu geeigneten Modellverbindungen durch das TP 1, zeigten , dass vor allem Nitride mit Wurtzitstruktur für eine ammonothermale Synthese in Frage kommen. Basierend auf den Experimenten und Untersuchungen durch die Teilprojekte 1 und 2 hinsichtlich der bei der Synthese auftretenden lntermediate und möglicher Mineralisatoren, wird die Züchtung der Halbleitermaterialien lnN und Zn3N2 und den ternären Zink-IV-Nitriden wie ZnSiN2 , ZnGeN2 und ZnSnN 2 angegangen. Diese ternären Materialien konnten bisher noch nicht als Massivmaterial gezüchtet werden, besitzen allerdings aufgrund ihrer möglichen Verwendung als Ersatzmaterialien für GaN, lnN und AIN ein großes Potential. Im Rahmen des Projekts würde damit ein gänzlich neues Materialsystem erschlossen werden können.
http://www.ammono-for.de/
Involved:
Lothar Frey
Project Leader
Jürgen Erlekampf
Project Member
Martina Koch
Project Member
Dietmar Jockel
Project Member
Elke Meißner
Project Member