Multiskalenmodellierung zum Verständnis der Facettierung und des orientierungsabhängigen Wachstums von Aluminiumnitirid-Volumenkristallen aus der Gasphase

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Bickermann; Professorin Dr.-Ing. Heike Emmerich
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 175289588

Ziel des Projekts ist es, ein tiefgreifendes Verständnis für die Wachstumsvorgänge bei der Züchtung von Volumenkristallen aus der Gasphase (Sublimation-Rekondensation) zu entwickeln. Dies ist insbesondere für die neuartigen Halbleiter-Einkristalle mit großer Bandlücke wie AlN und SiC von Interesse, die ein großes wirtschaftliches Potential besitzen, deren Wachstumsmechanismen aber bislang nur unzureichend erforscht sind. Im Vordergrund des Forschungsvorhabens stehen die atomistischen Vorgänge an der Oberfläche während des Kristallwachstums, deren Abhängigkeit von der Kristallanisotropie und der Züchtungstemperatur, und die sich daraus ergebende Evolution des makroskopischer Kristallhabitus und die Aufrauung bzw. Facettierung der Oberfläche. Diese bestimmen wesentliche Kristalleigenschaften wie z.B. die Konzentration von Defekten im Kristall. Die dabei wirksamen Wachstumsmechanismen sollen durch die Entwicklung von Methoden zu Multiskalenmodellierung mit der Rückkopplung aus Ergebnissen von Kristallzüchtungsexperimenten erarbeitet werden. In der Modellierung des kinetisch limitierten Wachstums aus mehreren Komponenten in der Gasphase wird hierzu eine Kontinuums- Betrachtung des Wärme- und Stofftransports bei der Gasphasenzüchtung mit einem Phasenfeldmodell verknüpft, bei dem die Eingangsparameter von experimentellen Daten, ab-initio-Rechnungen und kinetischen Monte-Carlo-Simulationen abgeleitet werden können. Aus den Simulationen zum Wachstum von AlN werden u.a. die kinetische Wulff-Figur sowie ein Modell zur Vorhersage der Oberflächenmorphologie analog zum Jackson-Modell in der Schmelzzüchtung erarbeitet. Die Mehrkomponenten-Multiskalenmodellierung bildet darüber hinaus eine Grundlage für verlässliche Voraussagen in der Gasphasenzüchtung verwandter Materialsysteme wie z.B. SiC.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen