Entwicklung eines CVD-Wachstumsprozesses zur Herstellung von CsPbBr3- Perowskitschichten für lichtemittierende Bauelemente

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Holger Kalisch; Professorin Dr. Franziska Muckel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527652387

Metall-Halogenid Perowskite zeichnen sich durch außergewöhnliche optoelektronische Eigenschaften wie eine hohe Quanteneffizienz, einstellbare direkte Bandlücke und schmalbandige Emission aus und erreichen mittlerweile kommerziell relevante externe Quanteneffizienzen von > 20 % in lichtemittierenden Bauelementen (LEDs). Perowskitschichten für LEDs werden bislang jedoch größtenteils in Aufschleuder-Prozessen aus der Lösung hergestellt. Aufgrund deren Komplexität und Anfälligkeit gegenüber Schwankungen wird eine Korrelation zwischen Wachstumsprozessen und Material- und Bauelementeigenschaften erschwert, zudem sind diese Prozesse kaum industriell relevant. Im Gegensatz dazu verspricht die Synthese mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) neben der besseren Kontrolle über die Abscheideparameter, weniger komplexe Synthesprozesse und eine gute Reproduzierbarkeit. Die Entwicklung dieser Technologie steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Dies begrenzt bisher auch das Verständnis des Einflusses der verschiedenen Prozessparameter wie Präkursorverhältnisse, Materialflüsse und Temperaturen auf die unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere die Bildung von Defekten und damit auf die optoelektronische Funktionalität des Materials. Das zentrale Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines CVD-Prozesses zur Synthese des Perowskits CsPbBr3 in einem eigens entwickelten Hot-Wall-Showerhead-Reaktor für den Einsatz in Perowskit-basierten LEDs (PeLEDs). In diesem Reaktor werden die Materialflüsse aus separat kontrollierten Sublimations-Quellen zwangsgemischt und über einen Showerhead zum Substrat geleitet, was eine präzise Kontrolle über verschiedene Prozessparameter und damit eine hohe Reproduzierbarkeit ermöglicht. Eine enge Rückkopplung zwischen Prozessführung und Parametervariationen und struktureller und optischer Analyse ermöglicht eine effiziente Optimierung der aktiven Schicht. Zusätzlich werden gezielt organisch-anorganische Additive (MABr) in den CVD Prozess eingebracht, um nichtstrahlenden Verlustkanälen in der aktiven Schicht zu passivieren. Im nächsten Schritt werden die CVD-prozessierten Perowskitschichten in PeLEDs eingebettet und die nichtstrahlenden Verluste an Grenzflächen zu benachbarten Hilfsschichten sowie die Effizienz und Balance der Ladungsträgerinjektion in die aktive Schicht untersucht. Basierend darauf werden durch Variation der Hilfsschichten die Kenndaten der PeLED optimiert. Ziel ist hierbei die Demonstration einer CVD-prozessierten PeLED mit einer externe Quanteneffizienz von > 1,5 %.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen