Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE)

Die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) ist ein Verfahren zur Herstellung dünner, hochwertiger Kristallschichten. Dabei werden spezielle Gase, sogenannte Präkursoren, in einen Reaktor geleitet, in dem ein Wafer erhitzt wird. An dessen Oberfläche zerfallen die Moleküle und setzen Atome frei, die sich geordnet ablagern und Schicht für Schicht ein neues Material bilden. Unerwünschte Reste entweichen als Gas oder setzen sich an den Reaktorwänden ab.

Besonders wichtig ist MOVPE für die Produktion von III-V-Halbleitern wie Galliumarsenid oder Galliumnitrid. Diese Methode kombiniert schnelle Schichtabscheidung mit hoher Qualität und bildet die Grundlage vieler moderner Technologien. Mit MOVPE entstehen unter anderem LEDs, Laserdioden, schnelle Transistoren und Solarzellen. Obwohl das Prinzip simpel wirkt – Moleküle zerfallen auf einer heißen Oberfläche –, erlaubt das Verfahren eine äußerst präzise Kontrolle bis hin zur Anordnung einzelner Atome.

Agnieszka Paszuk

Atomlagenabscheidung

Die Atomlagenabscheidung (engl. atomiclayerdeposition - ALD) ist ein modifiziertes Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung. Bei diesem Verfahren ermöglichen selbstlimitierende Oberflächenreaktionen die Abscheidung extrem dünner und homogener Schichten mit geringer Defektdichte. Metalloxidschichten wie z.B. TiO2 haben sich im Kontakt mit dem Elektrolyten während des Betriebs als viel stabiler erwiesen als III-V-Halbleiter. Trotz Bemühungen zur Optimierung der Dünnschichtabscheidung besteht immer noch Unklarheit hinsichtlich der Reaktionsmechanismen der Präkursoren mit dem Substrat (Grenzflächenbildung) und der Auswirkungen der Prozessparameter auf die Eigenschaften der gewachsenen Schicht, wie Struktur, Reinheit und Gleichmäßigkeit, und, noch wichtiger, ihrer Auswirkungen auf die chemische Stabilität.

Insbesondere Defekte, die an der III-V-Halbleiter/Metalloxid-Heterogrenzfläche entstehen, beeinträchtigen die Stabilität des Films, sobald dieser dem Elektrolyten unter Beleuchtung ausgesetzt wird. Die Wahl der Präkursoren für das Metall und das Oxid, die Wachstumstemperatur und die Substratvorbereitung beeinflussen die chemische und elektronische Struktur an der Heterogrenzfläche sowie die Struktur, Oberflächenmorphologie und Defekte des gewachsenen Films erheblich.

Manali Nandy

Elektronenkanal-Kontrastbildgebung

Die Elektronenkanalisierungskontrastbildgebung (ECCI) ist eine spezielle Technik in der Rasterelektronenmikroskopie. Mit ihr lassen sich Kristallfehler, wie etwa Versetzungen oder Stapelfehler, direkt an der Oberfläche von festen Materialien sichtbar machen – und das ohne die aufwendige Herstellung extrem dünner Proben, wie sie bei anderen Methoden nötig ist.

Dabei wird ein Elektronenstrahl auf die Probe gerichtet. In einem perfekt geordneten Kristall bewegen sich die Elektronen gleichmäßig entlang der Atomebenen, man spricht von Kanalisierung. Treffen sie jedoch auf einen Defekt, wird dieses Muster gestört. Dadurch verändert sich, wie viele Elektronen zurückgestreut werden – im Bild erscheint an dieser Stelle ein Kontrast, der Art und Position des Fehlers verrät.

Die Grundlage der Methode wurde schon 1967 erkannt, als erste kanalisierungsbedingte Streifen in Elektronenmikroskopbildern beobachtet wurden. Heute gilt ECCI als präzises, zerstörungsfreies Werkzeug der Materialforschung, das Kristallfehler mit hoher Genauigkeit und wenig Aufwand sichtbar macht.

Juliane Koch

Photoelektrochemie

Bei der photoelektrochemischen (PEC) Wasserspaltung wird untersucht, wie sich Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandeln lässt. Dazu ist ein spezieller Versuchsaufbau nötig: Ein Sonnensimulator dient als Lichtquelle, ein Potentiostat steuert und misst Strom und Spannung, ein Gaschromatograph (GC) analysiert die entstehenden Gase, und die eigentliche Reaktion läuft in einer PEC-Kammer ab.

Dort wird das zu testende Halbleiterbauelement eingesetzt und an der Rückseite kontaktiert. Zusätzlich befinden sich eine Referenzelektrode und eine Gegenelektrode in der Kammer, die mit einem Strom leitenden Elektrolyten gefüllt ist. Wenn Licht auf die Probe trifft, entstehen an ihrer Oberfläche Gasbläschen. Diese werden vom GC auf ihre Zusammensetzung untersucht, während der Potentiostat kontinuierlich Spannung und Strom überwacht. So lassen sich nicht nur die Effizienz der Wasserspaltung, sondern auch die Langzeitstabilität der Materialien erfassen. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage, um Halleiterstrukturen gezielt zu verbessern und Anwendungen mit hohen Konversionseffizienz zu entwickeln.

Juliane Koch

Multi-Spitzen-Rastertunnelmikroskopie

Ein Ultra-Hochvakuum-basiertes Multi-Spitzen-Rastertunnelmikroskop (MT-STM) ist ein hochpräzises Messgerät, mit dem sich die elektrischen Eigenschaften winziger Halbleiterbauteile untersuchen lassen

Das MT-STM ist mit einem integrierten Rasterelektronenmikroskop ausgestattet und nutzt piezoelektrische Nanopositionierer, um vier Wolframspitzen unabhängig voneinander mit einer Genauigkeit von etwa 100 nm zu positionieren. Auf diese Weise können einzelne freistehende Nanodrähte gezielt kontaktiert und vermessen werden. Durch das Variieren des Abstands zwischen den Messspitzen lassen sich Strom-Spannungs-Kennlinien aufnehmen und ortsaufgelöste Widerstands- und Dotierungsprofile bestimmen. Diese Methode ist besonders wichtig, um spezielle Kontakte in Halbleitern zu erforschen, die Ladungsträger voneinander trennen – ein entscheidender Prozess für viele optoelektronische Bauteile wie Solarzellen, LEDs oder Photodetektoren.

Juliane Koch

Rasterelektronenmikroskopie

Um Halbleiterstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich zu untersuchen, braucht es eine sehr hohe Auflösung, die gewöhnliche Lichtmikroskope nicht bieten können. Deshalb wird für die Analyse dieser Strukturen ein Rasterelektronenmikroskop (REM) eingesetzt. Dabei trifft ein Elektronenstrahlauf die Probe und wechselwirkt mit ihrem Material. Die dabei entstehenden Sekundär- und Rückstreuelektronen werden detektiert und in hochauflösende Bilder überführt. Da Elektronen eine viel kleinere Wellenlänge als Licht haben, erreicht das REM eine erheblich höhere Auflösung wobei 100.000 fache Vergrößerungen problemlos möglich sind. Hiermit können selbst winzige Bauelemente wie Nanodräthe zuverlässig analysisert. Zusätzlich entstehen bei der wechselwirkung der Probe mit dem Elektronenstrahl charakteristische Röntgenstrahlen. Diese lassen sich mit speziellen Detektoren messen und ermöglichen eine ortsaufgelöste chemische Analyse der Probe. Dieses Verfahren nennt man energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX).

Juliane Koch

Magnetronsputtern

Als III-V-freie Fenster- bzw. Schutzschichten werden dünne Metalloxidschichten abgeschieden, zunächst TiOx. Dabei müssen die Schichtstruktur und -morphologie sowie optische und elektronische Eigenschaften an das III-V-Material angepasst werden. Im Projekt wird dazu neben der ALD (hier Verweis) das Magnetronsputtern aus der Gruppe der physikalischen Gasphasenabscheidung verwendet. (Bei diesem Verfahren werden Ar-Ionen aus einem Plasma auf ein Target (hier Ti) beschleunigt und dort Atom herausgeschlagen, die sich anschließend auf dem Substrat (hier das III-V-Material) niederschlagen. Durch das Zumischen von reaktiven Gasen, wie O2, in das Prozessgas können auch Verbindungen, wie TiOx abgeschieden werden). Das Schichtwachstum kann dabei u.a. über Prozessdruck, Wachstumsgeschwindigkeit und Abscheidewinkel beeinfluss werden. In dem im Projekt genutzten Sputtersystem bestehen zusätzlich die Möglichkeiten, durch Abscheidung von mehreren Targets gleichzeitig, gemischte Oxide abzuscheiden oder durch die freie Programmierbarkeit vieler Maschinenparameter, weitere Schichteigenschaften zu variieren.

Simone Gutsche

Röntgendiffraktometrie (XRD)

Die kristalline Struktur der III-V-Materialien und der Fensterschichten wird mittels Röntgenbeugungsverfahren untersucht. Dafür stehen mehrere Systeme zur Verfügung: Für die Untersuchung von Orientierung, Zellparametern und Defekten der III-V-Materialien wird ein hochauflösendes XRD verwendet, Messungen für die Charakterisierung der Kristallinität und Modifikationen der dünnen TiOx-Fensterschichten werden mit einem anderen Gerät mit Parallelstrahl durchgeführt.

Fraunhofer ISE, Dirk Mahler

Elektrochemisches Ätzen von Germanium-Substraten

Mittels elektrochemischen Ätzens können poröse Germanium-Schichten hergestellt werden. Ziel ist es, zwei Schichten übereinander zu ätzen, eine niedrig poröse nahe der Oberfläche und eine hochporöse darunter, um eine Spaltung des Germanium-Substrates für eine spätere Wiederverwendung zu ermöglichen. Hierbei bilden die Germanium-Substrate eine Elektrode in einem säurehaltigen Elektrolyten. Die Struktur der porösen Schicht wird maßgeblich durch den fließenden Strom beeinflusst, wobei geringe Ströme zu niedrig porösen Schichten und hohe Ströme zu hochporösen Schichten führen. Eine Besonderheit ist hierbei, dass während des Ätzens die Stromrichtung immer wieder umgekehrt werden muss, wodurch die bereits geätzte Oberfläche geschützt wird. Während eines anschließenden Hochtemperaturschrittes formt sich die hochporöse Schicht zu einer Ablöseschicht um, während sich die Oberfläche der niedrig porösen Schicht schließt und so eine gute Wachstumsvorlage für III-V Halbleiterschichten bildet. Nach dem Ablösen kann der Substratteil wiederverwendet werden.

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Wolfram System Modeler v.14.3 und System Dynamics Modelling

Wolfram System Modeler kombiniert in Verbindung mit der Wolfram Language intuitive grafische Modellierung mit fortschrittlichen Berechnungsfunktionen. Es bietet eine interaktive Umgebung zum Erstellen, Erkunden und Simulieren von Modellen, wobei sowohl symbolische als auch numerische Methoden zur Darstellung realer Prozesse zum Einsatz kommen. Die für dynamische Systeme entwickelte Sprache Modelica optimiert die mathematische Modellierung und bietet eine Standardbibliothek, die mit zusätzlichen Paketen erweitert werden kann – zur Unterstützung groß angelegter Kooperationsprojekte wie SustEnMat. Innerhalb dieses Rahmens implementiert die System Dynamics-Bibliothek die Methodik von Jay Forrester zur Darstellung von Massen- und Informationsflüssen in kontinuierlicher Zeit. Dieser Ansatz, der in den Sozial- und Wirtschaftswissenschaften weit verbreitet ist, verwendet Bestands- und Flussdiagramme sowie Kausalschleifendiagramme, um die Darstellung der zugrunde liegenden Differentialgleichungen zu vereinfachen. Unser Ziel ist es, ein integriertes dynamisches Modell des globalen Marktes für Elemente der Gruppe III V zu entwickeln, das die Gewinnung, das Angebot, die Nachfrage, die Preisgestaltung, die Verwendung und das Recycling in einer Reihe von potenziellen Szenarien simuliert.

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PATSTAT Datenbank und Patentanalyse mittels pgAdmin4 (ein Verwaltungstool für PostgreSQL)

Die vom Europäischen Patentamt bereitgestellte weltweite Patentstatistikdatenbank (PATSTAT) ist eine wichtige Referenz für Patentinformationen und -statistiken. Sie enthält bibliografische Daten und Daten zu rechtlichen Ereignissen von Patentämtern weltweit, sowohl aus Industrie- als auch aus Entwicklungsländern. Wir verwenden Tools wie pgAdmin4, um die relationale Datenbank abzufragen, statistische Analysen durchzuführen und Visualisierungen zu erstellen. Durch die Anwendung von Methoden wie der Modellierung des technologischen Fortschritts (z. B. Farmer & Lafond, 2016) beobachten wir Technologietrends und Kommerzialisierungsentwicklungen im Bereich der Photovoltaik-Technologien.

Siddharood Biradar

Umberto - Kreislaufwirtschaftssoftware

Umberto ist eine professionelle Software für Lebenszyklusanalysen und Materialflussanalysen, mit der die Auswirkungen von Produkten, Prozessen und Organisationen über den gesamten Lebenszyklus hinweg modelliert, quantifiziert und bewertet werden können.

Die Software bietet eine grafische Modellierungsumgebung, in der Prozessknoten und Flussverbindungen komplexe Systeme mit hoher Transparenz darstellen. Integrierte Datenbanken wie ecoinvent liefern konsistente Lebenszyklusinventardaten, während die Berechnungsengine etablierte LCA-Methoden gemäß den Normen ISO 14040/44 anwendet. Auf diese Weise können Energie- und Materialflüsse mithilfe verschiedener Methoden zur Lebenszyklus-Wirkungsanalyse (LCIA) genau abgebildet und analysiert werden, was eine umfassende Bewertung der Umweltleistung ermöglicht.

 Durch die Definition von Systemgrenzen und die Anpassung von Prozessparametern können Szenarioanalysen und Optimierungsstrategien entwickelt werden. Die Ergebnisse können als Sankey-Diagramme, Wirkungsbewertungsdiagramme oder vergleichende Lebenszyklusprofile visualisiert werden. Dieser Ansatz ist besonders wertvoll für die Identifizierung von Umwelt-Hotspots, die Verbesserung der Produktnachhaltigkeit und die Unterstützung strategischer Entscheidungen in Bereichen wie Fertigung, Energie und Kreislaufwirtschaft.

Molekulardynamik

Wir verwenden quantenbasierte Molekulardynamik, um zu untersuchen, wie Wasser mit einer Reihe von Oberflächen und Grenzflächen interagiert, darunter III-V-Halbleiter, Metalloxide und kombinierte Oxid-/Halbleitersysteme mit Nadellochdefekten. Diese Simulationen liefern atomistische Einblicke in die Struktur und Dynamik von Fest-Flüssig-Grenzflächen, wie z. B. Wasserstoffbrücken-Netzwerke, Adsorptions- und Dissoziationswege sowie die ersten Schritte der Korrosion. Die daraus resultierenden Trajektorien dienen auch als hochwertige Referenzdaten für das Training unserer Machine-Learning-Modelle.

Kraftfelder für maschinelles Lernen (MACE)

Um größere Systeme und längere Zeitskalen zu untersuchen, wenden wir das MACE-Framework für maschinell lernende Kraftfelder an. Durch das Training mit ab initio-Daten erreicht MACE eine nahezu DFT-Genauigkeit bei einem Bruchteil der Rechenkosten. Dies ermöglicht Simulationen über Hunderte von Pikosekunden bis Nanosekunden, wobei langsame Wasserdissoziationsereignisse, die Umstrukturierung von Grenzflächen, das Wachstum von Pinhole-Defekten und der Einfluss der Filmdicke erfasst werden. Auf diese Weise können wir die Reaktivität und Stabilität realistischer Fest-Flüssig-Grenzflächen bewerten, die für nachhaltige Energie- und korrosionsbeständige Anwendungen relevant sind.