ABTEILUNG

HALBLEITEREPITAXIE

Goal of this project is to identify specific TM-group-III-N layers with epitaxial quality for a potential application in group-III-nitride electronics. For this we will first study the properties of pure and alloyed group-IIIb-, -IVb-, and -Vb-nitrides (Cr, V, Ti, Sc, Nb, Zr, Ta, Hf) with AlN and in some cases also with GaN. This will result in a database of material parameters, namely crystal structure, lattice parameter, electrical and optical properties for a wide range of compositions.
Their potential should be then evaluated within the framework of thin films applied as active layers, i.e. for polarization optimization in HEMTs, novel HEMT structures as, for example, GaN/ScN/GaN binary high mobility electron channels or as thicker films for an application as highly conductive buffer layer and electrically conducting strain engineering layers, enabling true vertical electronic devices on Si substrates. For the latter pure TMN alloys or TMN alloys with AlN are the most promising candidates, while for active layers, apart from binary TMN layers, also alloys with GaN are interesting.

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Hauptmotiv ist die Entwicklung einer Sputter-Epitaxietechnologie für AlN/GaN-Schichtstapel auf Silizium (Nukleations-, Puffer-, und aktive Bauelementeschichten), die prinzipielle verfahrensinhärente Limitierungen der konventionellen AlN/GaN-MOCVD Technologie überwindet (hohe Substrat¬temperatur um 1050 °C, C Kontamination, H-Passivierung von Dotanden) und die zugleich das Potenzial zu einer wesentlichen Kostensenkung und deutlich höheren Industrietauglichkeit hat. Dadurch soll die Erschließung des Massenmarktes für AlN/GaN-Bauelemente auf Siliziumwafern ermöglicht werden. Bisher gelten die Kosten für AlN/GaN- Epitaxieschichten im Vergleich zur Si-Epitaxie als "astronomisch", weshalb AlN/GaNBauelemente
bisher auch nur Nischenprodukte sind.
Ziel des Vorhabens ist die Etablierung von Sputterprozessen für die Realisierung von epitaktischen
AlN/GaN-Templates auf Fremdsubstraten wie Saphir oder Silizium für Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik in einer der MOCVD ebenbürtigen Qualität. Neben einer entsprechenden Kristallqualität ist dafür auch eine kontrollierte Einstellung der Leitfähigkeit der Schichten unabdingbar. So erfordern Templates für die laterale Elektronik hochohmige Pufferschichten, für die vertikale Elektronik und Optoelektronik jedoch hoch leitfähige. Daher soll, insbesondere für die vertikale Elektronik auf Silizium, auch untersucht werden, wie gut AlN mit der Sputtertechnik mit Si oder Ge leitfähig (Elektronen- bzw. n-leitend) dotiert werden kann. Die Eignung der Pufferschichten für Elektronik-Anwendungen wird anhand von Test-Bauelementen untersucht. Hierzu werden auf PVD-Pufferschichten aktive Schichten mit MOCVD aufgewachsen, Test-Bauelemente prozessiert und elektrisch charakterisiert.

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Um weitere Verbesserungen in der GaN-Leistungselektronik zu
erzielen und neue Bauelementstrukturen sowie Bauelementdesigns
zu ermöglichen, werden wir Übergangsmetallnitride, deren
Legierungen sowie deren Legierungen mit AlN und GaN untersuchen.
Dies mit dem Ziel, eine echte, voll vertikale Elektronik auf
kostengünstigen Siliziumsubstraten und normally-off high electron
mobility Transistoren (HEMT) mit höherer Stromdichte und damit
kompakterer Bauweise als bisher zu ermöglichen. Darüber hinaus
werden wir eine neue Wachstumsmethode anwenden, die gepulste
Sputter-Epitaxie, mit der hochwertige GaN-Schichten bei
Temperaturen unter 800 °C gezüchtet werden können, womit sich ein
großes Potenzial für die Si-CMOS-Integration der GaN-Elektronik
eröffnet. Um neue Materialien zu identifizieren, die geeignet sind,
leitende Pufferschichten für die anschließende GaN-Epitaxie zu
erzielen, sowie neue oder bessere Funktionalitäten von
Bauelementen der Gruppe-III-nitride zu erreichen, werden wir
Übergangsmetallnitride (TM) sowie deren Legierungen mit AlN und
GaN, auf ihr Potenzial für elektronische Anwendungen der Gruppe-IIINitride
untersuchen. Dazu werden zunächst die Eigenschaften von
reinen und legierten Gruppe-IIIb-IVb- und Vb-Nitriden (Cr, V, Ti, Sc,
Nb, Zr, Ta, Hf) mit AlN und in einigen Fällen auch mit GaN untersucht.
Unser Ziel ist eine Datenbasis mit Kristallstruktur, Gitterparametern,
elektrischen und optischen Eigenschaften für eine Vielzahl von
Zusammensetzungen. Im Detail wird das Potenzial dann an dünnen
Schichten für die Anwendung als aktive Schicht in elektronischen
Bauelementen untersucht werden, z.B. zur Polarisationsoptimierung
in HEMTs oder für neuartige HEMT-Strukturen, z.B. mit binären,
hochleitfähigen GaN / ScN / GaN-Kanälen oder als dickere,
hochleitfähige Pufferschicht oder auch als elektrisch leitende,
rissvermeidende Schichten, die echte vertikale, elektronische
Bauelemente auf Si-Substraten ermöglichen soll. Für letztere sind
reine TMN-Legierungen oder TMN-Legierungen mit AlN die
vielversprechendsten Kandidaten, während für aktive Schichten
neben binären TMN-Schichten auch Legierungen mit GaN interessant
sind. Aufgrund der bislang bekannten Eigenschaften der TMNs
erwarten wir, dass sowohl vollständig vertikale Bauelemente auf Si als
auch bessere HEMT-Bauelemente erzielbar sind und zu einer
weiteren Erhöhung der Leistungsdichte von GaN basierten
Bauelementen führen wird.

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Ziel des Projekts ist vor allen Dingen die Untersuchung der Plasmen während Sputterprozessen von nitridischen Halbleitern und damit der Optimierung solcher Prozesse und Schichten. Diese Messung wird mit einem neuen Gerät des Projektpartners OUT eV realisiert. Der EInfluss der Prozessparameter auf die Plasmaeigenschaften wird systematisch untersucht und die Abhängigkeit mit den Schichteigenschaften bestimmt.

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Nitrid basierte UV Einzelphotonenemitter für den Betrieb bei Raumtemperatur werden in diesem Projekt hergestellt und charakterisiert. Unser Ansatz für einzelne, mittels MOVPE hergestellte, positionskontrollierte GaN/AlN Quantenpunkte in einer resonanten Kavität nutzt vergrabene Stressoren. Die optischen und elek­tronischen Eigenschaften individueller einzelner Quantenpunkte werden mittels in-TEM-Kathodolumineszenz direkt mit der atomaren Realstruktur korreliert. Es werden Bauelemente mit monolithisch integrierten, optischen Elementen (Spiegeln, resonante Mikrokavitäten, Mikrolinsen) für bessere Lichtauskopplung entwickelt. Intrabandübergänge in GaN-Quantenpunkten werden hinsichtlich Einzelphotonenemission im IR-Spektralbereich bei 1.3 und 1.55 µm untersucht.

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Increasingly, high density electrode arrays implanted into the brain are being used to help patients with motor impairments. Signals from the electrodes can for example be used to control prostheses. Unfortunately, no such success has been reached for patients with sensory losses. While retina and cochlea implants are successful in patients with some remaining function of the effected organ, as soon as the damage is larger or localized in the brain itself, they fail. Currently there is no possibility to "write” information directly to the first stage of perception, the primary sensory cortex. One major reason for this problem is the unspecific nature of the commonly used electrical brain stimulation. In our project we want to overcome this challenge by using light and gene therapy instead of current to stimulate the brain. Recently, the advent of optogenetics-a technique that sensitizes brain cells to light-has created a completely new opportunity for highly specific and complex brain stimulation. By creating a high density matrix of 32 microscopic light emitters in combination with electrodes for recording, we will create a novel, light based neuroprosthesis. The high number and density of such emitters is made possible by our novel thin-film LEDs. We will then test the device in animals and investigate how to "recreate” discernible sensory percepts by optogenetic patterned light stimulation. The results of these experiments are the basis to translate the technique to human patients in the future.

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Das Projekt untersucht das MOVPE Wachstum von homoepitaktischen GaN Tunnelübergängen mit hoher Transparenz. Dazu werden unterschiedliche Dotanden und Dotierprofile untersucht mit dem Ziel ITO als transparente leitfähige Schicht zu ersetzen.

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Das Projekt soll eine langfristige, intensive Kooperation zwischen der Otto-von-Guericke-Universität

Magdeburg OvGU und der Universidad Nacional de San Martín,Comisión Nacional de Energía Atomica
(UNSAM/CNEA) im Bereich neuartiger Hochleistungshalbleiterbauelemente für den Einsatz im Weltraum
begründen. Die Kooperation sucht die Verbindung einer einzigartigen technologische Expertise für
Halbleiterwachstum und -prozessierung (OvGU) mit der Materialcharakterisierung und
Bauelementuntersuchung unter Weltraumbedingungen (UNSAM/CNEA). Das Projekt ermöglicht es beiden
Partnern, eine Führungsrolle in der Herstellung von neuartigen, strahlungsresistenten, Gruppe-III-Nitrid
basierten Bauelementen einzunehmen..

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Das Teilvorhaben untersucht und entwickelt komplementär zur Vorgehensweise des Teilprojekts an der TU-Braunschweig einen Sputterprozesses zur epitaktischen Herstellung von GaN basierten Bauelementstrukturen.

Derzeit werden solche Bauelementstrukturen, wie sie für LEDs im sichtbaren Spektralbereich aber auch Hochleistungselektronik notwendig sind, mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) hergestellt. Dieses Verfahren ist aufgrund der notwendigen Ausgangsstoffe relativ teuer, auf Durchmesser von ca. 450 mm und einen Batchprozeß beschränkt.
In Japan wurde von der Gruppe um Prof. Fujioka demonstriert, dass mit der pulsed laser deposition (PLD) und der pulsed sputter deposition (PSD) hochwertige GaN basierte Schichten hergestellt werden können. Dabei ergeben sich folgende Vorteile:

• niedrige Herstellungstemperatur (< 700°C anstatt 1000 °C) und damit geringere thermische Verspannung auf Heterosubstraten
• ternäre Materialien ohne Phasenseparation und damit die Realisiserung von gelben und roten LEDs in diesem Materialsystem
• PSD erlaubt eine einfache Skalierung und einen Durchlaufprozeß

Damit sollten sich mit dieser Technik sehr preiswerte GaN basierte Bauelemente realisieren lassen.
Da diese Technik für GaN bislang weder angeboten noch erkennbar von anderen Gruppen verfolgt wird, jedoch eine deutliche Reduktion der Schichtherstellungskosten als auch neue Bauelemente erwarten lässt, ist eine Umsetzung der Technologie zur Sicherung des technisch/wissenschaftlichen Vorsprungs und von Arbeitsplätzen am Standort Deutschlang dringend angezeigt.
Im Teilprojekt wird die Untersuchung der Technologie mit metallischen Targets verfolgt und AlGaN Schichtsysteme entwickelt sowie die n-Dotierung implementiert. Durch das zu den Arbeiten an der TU-Braunschweig komplementäre Vorgehen ist ein rascher Projektfortschritt gewährleistet und ein Gelingen dieses Schlüsselprojekts für die GaN Herstellung sehr wahrscheinlich. Damit erschließen sich sowohl neue Möglichkeiten für die GaN Schichtherstellung, als auch in der GaN Grundlagenforschung, was den Standort Deutschland nicht nur im industriellen Sektor, sondern auch in der Forschung stärkt.

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Schwerpunkt dieses BMBF Teilprojekts ist die Herstellung, Charakterisierung und Etablierung von AlInN / GaN FETs als Alternative zu AlGaN / GaN. Solche Schichtstrukturen lassen eine deutlich verbesserte Leistungsfähigkeit von Hochleistungs-FETs und eine Verkleinerung der notwendigen Fläche erwarten. Dies hätte eine erhebliche Reduktion der Kosten zur Folge. Da das Materialsystem für solche Anwendungen bislang praktisch nicht untersucht wurde, sind eine Vielzahl von Fragestellungen zu klären, die im Rahmen dieses Projekts bearbeitet werden. Darüber hinaus soll die GaN auf Silizium Pufferstruktur verbessert werden, um eine bessere Durchschlagfähigkeit und somit auch eine verbesserte Leistung der Bau­ele­mente zu erzielen. Das IAF wird bei der Entwicklung von GaN auf Silizium Schich­ten von der langjährigen Erfahrung der OvGU durch eine intensive Prozes­sunter­stützung profitieren.

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Die Effizienz von konventionellen, c-Achse orientierten Gruppe-III-Nitrid Lichtemittern ist derzeit in erster Linie durch die vorhandenen piezo- und pyro-elektrischen Felder limitiert. Um die Effizienz zu erhöhen und insbesondere auch effiziente Lichtemitter im Grünen zu realisieren, gibt es starke Bestrebungen, auf unpolarem Material zu wachsen. Hier wird ein neuer Ansatz, basierend auf konventionellem, c-Achsen orientiertem GaN vorgeschlagen. Um Polarisationsfelder zu reduzieren wird das Wachstum von GaN entlang verschiedener un- bzw. semipolarer Kristallachsen untersucht. Wir schlagen einen neuen Ansatz für die Polarisationskontrolle auf dem etablierten c-Achsen orientierten GaN mit AlInN Barrieren und GaInN QWs vor. Solche polarisationsangepasste Materialien im System AlInN / InGa(Al)N sollen für die Reduktion interner Felder von QWs untersucht und angewendet werden. Durch die Kombination zweier polarisationsangepasster Schichten für die Barriere und den Quantenwell wird eine Verteilung der Polarisationsladung über das gesamte MQW System erzielt und der QCSE minimiert. Wenn diese nahezu gitterangepasst zum Puffer gewachsen werden, kann eine weitere Reduktion dieser Felder erzielt werden.Ein besserer Überlapp der Elektron- und Lochwellenfunktionen in den QWs ermöglicht auch eine höhere Schaltgeschwindigkeit von LEDs, was für für Anwendungen in der Datenübertragung wichtig ist.Die strukturelle Charakterisierung wird mittels hochaufgelöster Röntgendiffraktometrie und -reflektometrie durchgeführt. Eine enge Kooperation mit den Partnern der Forschergruppe ist essentiell, um diese Ziele zu erreichen.

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Auf hochindizierten Si(11h) Substraten erden AlN/GaN Schichtstapel mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie gewachsen. Diese Schichten weisen eine Neigung der polaren c-Achse zur Oberflächennormalen auf womit sich der QCSE reduzieren lässt. Nach den Wachstumsuntersuchungen sollen abschließend LED Strukturen die Stärke des QCSE je nach Kippwinkel aufzeigen.

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Wachstum spannungsangepasster GaN Templates für die HVPE dicker Schichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie. Dazu werden Saphir Substrate mit GaN bewachsen und die Verspannung reproduzierbar auf die optimalen Werte eingestellt.

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Ein Epitaxierezept zum Wachstum einer definiert vorgespannten GaN auf Saphir Schicht mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie wird entwickelt. Der Wachstumsprozess wird im Detail mit den wesentlichen Parametern für einen Wachstumserfolg dokumentiert

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Si basierte Spiralfedern werden in der metallorganischen Gasphasenepitaxie mit AlN bewachsen. Darauf folgt eine Prozesierung und Kontaktierung der innenliegenden Spiralfederflächen um so die induzierte Piezospannung als energiequelle zu nutzen.

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Metallorganische Gasphasendeposition (MOCVD) von Aluminium-Nitrid (AlN) auf dreidimensionalen Siliziumoberflächen. Dazu wird ein neues Abscheidekonzept Entwickelt um rissfreie Schichten zu erzielen.

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Eine Verbesserung der Lichtauskopplung von GaN basierten LED Strukturen soll mittels Nanostrukturierter Oberflächen erzielt werden. Dazu werden MOCVD gewachsene Schichten mit nanometergroßen Polystyrolkugeln beschichtent und anschließend geätzt.

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Im Rahmen dieses Projekts werden GaN-basierte Lichtemitter- und mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) auf Silizium Substraten hergestellt. Dabei soll vor allen Dingen das Wachstum auf Si(100) und neuartoge Materialien für den grünen Wellenlängenbereich untersucht werden.

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Im Rahmen dieses Projekts werden GaN-basierte Lichtemitter- und Transistorstrukturen mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) auf Silizium Substraten hergestellt. Dabei soll insbesondere die normalerweise auftretende Rißbildung von GaN mit Dicken oberhalb von 1 mikron auf Si verhindert werden. Ziel ist es unter anderem GaN basierte Schichten mit bauelementrelevanten Schichtdicken von mindestens 3 mikron rißfrei auf Silizium abscheiden zu können.

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Neue Halbleiter-Lasertechnologie wird für light-detction and ranging (LIDAR) Systeme benötigt, die vor allem im Automotive-Bereich Anwendung finden. LIDAR beruht auf der omnidirektionale Ausssendung von Lichtpulsen und die zeitgenaue Erfassung ihrer Rückkehr von reflektierenden Objekten. Die Geschwindigkeit der Erfassung einzelner Objekte ist grundlegend von der Lichtleistung pro Puls abhängig, In konventionellen kantenemittierenden Halbleiter-Laserdioden divergiert stark in der vertikalen Achse der Emission wodurch nicht nur die Lichtleistung sondern auch die Ortsauflösung reduziert wird. Da die Lichtübertragung im frei zugänglichen Raum erfolgt, ist die Augensicherheit ein wichtiges Kriterium für die Auswahl der Laserwellenlänge. Bisherige Systeme arbeiten bei der nicht optimalen Wellenlänge von 905 nm, weil entsprechende Lichtquellen bei 1250 nm Wellenlänge bisher nicht demonstriert worden sind. In diesem Projekt kooperieren wir mit einer chinesischen Forschergruppe um diese Lücke zu schließen. Ein neuartiges Wellenleiterkonzept mit sehr geringer Divergenz im Ausgangsstrahl wird mit der Quantenpunkt-Technologie gekoppelt, die Wellenlänge von 1250 nm auf GaAs-Substraten zu ermöglichen.

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Moderne Halbleiterschichtstrukturen bestehen heutzutage meist aus einer komplexen Vielfachschichtenfolge von kontrolliert abgeschiedenen Epitaxieschichten unterschiedlicher Materialzusammensetzung und Verspannung mit Schichtdicken von einigen Monolagen bis zu einigen Mikrometern. Die strukturelle Untersuchung derartiger Proben im Hinblick auf kristalline Perfektion, chemische Zusammensetzung,Verspannungszustand sowie der Schichtdicken und- rauhigkeiten ist Gegenstand von Röntgenbeugungexperimenten und ohne diese nicht möglich. Das beantragte hochauflösende Röntgendiffraktometer ermöglicht eine schnelle, zerstörungsfreie strukturelle Untersuchung sowohl von perfekt gitterangepaßten epitaktischen Halbleiterschichten und -Schichtsystemen wie auch von gitterfehlangepaßten und hoch texturierten Materialien bis hin zu kristallographischen Pulvern in Form von Dünnschichtsystemen oder kompakten Proben.

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Mit dem Rasterkraft-Mikroskop sollen in-situ elektrochemische Prozesse an Halbleiterschichten untersucht werden. Bei diesen Prozessen treten charakteristische Deformationen der Oberfläche auf, die nur mit einem Rasterkraftmikroskop mit der erforderlichen Auflösung messbar sind. Für die Beobachtung dieser Prozesse ist eine passende elektrochemische Zelle notwendig, in der die entsprechenden chemischen Prozesse ablaufen können und zudem die Oberfläche der Halbleiterstrukturen mit einem Rasterkraft-Mikroskop in schneller Folge abgetastet werden kann.  Zwingend notwendig ist es zum Beispiel, die lateralen Dimensionen der durch elektrochemische Prozesse erzeugten Strukturen auf einer Nanometerskala zu kontrollieren. Diese Untersuchungen dienen weiter der Herstellung neuartiger elektrischer Halbleiterbauelemente mit skalierbarer Stromführung im Nanometerbereich. Zudem lassen sich für die Epitaxie von Nanoobjekten definierte Nukleationspunkte festlegen und somit eine deutlich verbesserteGenauigkeit in der Herstellung dieser Nanomaterialien erreichen.

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Visible LEDs and laser diodes are made of group-III-nitride materials grown by epitaxy methods. They already changed our daily life by their ubiquitous use for illumination and projection. High-power, high-brightness GaN-based lasers could replace discharge light bulbs or low-efficiency laser systems also in large-area display, projection, and other lighting systems as well as in free-space or underwater communication. In order to realize GaN-based lasers with high-brightness the conventional edge emitter design which is based on total interface reflection (TIR) waveguides must be substituted by a vertical mode-expanding waveguide structure. Thereby, a wider optical near-field is achieved resulting in narrower far-field angles of the emission profile. Simultaneously, the mode-expanding waveguide must stabilize the fundamental mode emission by discriminating higher order vertical modes through gain and loss engineering. This NSFC-DFG joint project aims to develop high-power, high-brightness (In,Ga,Al)N laser diodes using the novel photonic band crystal (PBC) laser concept. The principal investigators for this project are Prof. André Strittmatter from the Semiconductor epitaxy department of the Otto-von-Guericke University Magdeburg, Germany (OvGU) and Prof. Tong Cunzhu from Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP), Chinese Academy of Sciences (CAS), China. Both PI´s have strong background in PBC laser diodes and complementary expertise in simulation, nitride growth and characterization, and device fabrication.
Fundamental research on optimum optical and electrical design of the PBC structure itself and the laser structure in total is necessary. The successful realization of the design crucially depends on the available material combinations in the group-III nitride system. In particular, a materials study regarding mechanical strain, electrical conductivity, and optical losses for the PBC section must be conducted. HiBGaN combines the accumulated, complementary knowledge of both sides by distributing each task to the specific strength of each group. The German side has strong epitaxial growth ability of lattice-matched nitride materials which is prerequisite for thick, low-loss GaN-based PBC designs. OvGU is therefore responsible for the epitaxial growth and characterization of the laser structure. The Chinese side is responsible for design of PBC structures, fabrication and characterization of PBC lasers. Mutual research visits are negotiated to train students, exchange expert knowledge, and initiate long-term partnership between both institutions.

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The project aims at the advancement of the buried-stressor approach for fabricating (1) stripes of InGaAs- based carrier-localization layers for novel photonic devices and (2) single site-controlled long-wavelength QDs for fiber based quantum communication at telecom wavelengths; in addition, (3) device heterostructures will be developed and grown for other CRC projects.

1. Active waveguide structures with a high density of Stranski-Krastanow quantum dots (SK QDs) and sub- monolayer (SML) depositions aligned in linear arrays will be developed. Target is the fabrication of efficient edge-emitting devices, LD/SOA based on SK QDs and SML depositions, and waveguide photodetectors with SK QDs, employing single and multiple layers of stressor-induced stripe formation - adapted to the optical mode. The active region of these devices hence shall be fabricated employing a self-aligned site control of either quantum dots or SML depositions.

Benefits of the buried-stressor approach for ridge-waveguide devices are:

• The active low-Eg medium is vertically and laterally embedded in a high-Eg matrix
• The structures are fabricated in a self-aligned bottom-up approach, without post-growth processing
• Low absorption losses, lateral index guiding, low noise (in detector applications)

 Single site-controlled long-wavelength InGaAs QDs will be developed for single-photon sources operating at telecom wavelengths. The approach will apply the successful CRC phase-2 concept of buried stressors and additional pathways for emission red-shift like QD ripening and SRL overgrowth.
Epitaxy for energy-efficient high-bandwidth VCSELs based on SK-QDs, QWs, and SML structures pro- cessed in project C1 will also be performed. Devices will be designed for operation at 980 to 1240 nm emission wavelength required for short-range applications and silicon photonics. Furthermore, A2 will perform epitaxy of heterostructures with self-assembled InGaAs QDs emitting in the 900-980 nm spectral range for deterministic single-photon devices and integrated waveguide structures in C12.

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