Extreme Polarisationsgradienten (Akronym: „Polrock“): Ober- und Grenzflächenanalytik an rs-ScxAl1-xN/wz-GaN- und rs-ScN/wz-ScxAl1-xN-basierten Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Professor Dr. Stefan Krischok
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530081697

Innerhalb des Projekts werden erstmals rs-ScxAl1-xN/wz-GaN- und rs-ScN/wz-ScxAl1-xN-basierte Heterostrukturen epitaxiert und ihre Grenzflächeneigenschaften erforscht. Es sollen die theoretisch vorhergesagten extremen Polarisationsgradienten und polarisationsinduzierten Ladungsflächendichten an den Grenzen unterschiedlicher Kristallstrukturen nachgewiesen und für Anwendung in elektronischen und optischen Bauelementen kontrolliert eingestellt werden. Durch die neuartige Kombination von ScxAl1-xN-Schichten mit Steinsalz-Struktur (die keine Polarisation besitzen können, P(rs)=0) und Schichten aus GaN oder ScxAl1-xN mit Wurtzit-Struktur (die sehr hohe Polarisationen entlang der [0001]-Richtung zeigen können: P_max (wz)~~1,4 C/m2 ) in einer pseudomorphen Heterostruktur, können sehr große Polarisationsgradienten (DeltaP=P_max (wz)) und polarisationsinduzierte Flächenladungsdichten von bis zu omega/e~~8 x10^14 cm-2 erreicht werden. Diese Flächenladungsdichten sind um etwa zwei Größenordnungen höher als die pseudomorpher GaAlN/GaN-Heterostrukturen, wie sie dem Stand der Technik entsprechen. Damit der Nachweis der extremen Polarisationsgradienten über experimentell nachweisbare Ladungsträgerprofile gelingt, sind Simulationen der Bandkantenprofile erforderlich die eine genaue Kenntnis der Banddiskontinuitäten, Oberflächenpotentiale und Dotierungen voraussetzen. Zur Untersuchung der Banddiskontinuitäten sowie der spezifischen Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften sind detaillierte Analysen der einzelnen Schichten wie auch der Heterostrukturen nötig. Auf Basis optimierter Stickstoff- und Metall-polarer Schichten und Schichtsysteme werden die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des ScxAl1-xN-Materialsystems ermittelt und die Dispersion der Bandübergänge und der Phononen in Abhängigkeit des Sc-Gehalts bestimmt. Die genaue Bestimmung der elektronischen sowie der Phononen-Bandstruktur wird durch Simulationen unterstützt. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in den Nachweis der Banddiskontinuitäten, Bandverbiegungen und Ladungsträgerprofile an den Grenzflächen von rs-ScxAl1-xN/wz-GaN- und rs-ScN/wz-ScxAl1-xN-Heterostrukturen ein und ermöglichen den Nachweis extremer Polarisationsgradienten und ihre kontrollierte Variation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen