Quantengenaue SiC Wachstumssimulationen mit atomarer Clusterentwicklung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Hammerschmidt
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546339066

Die Klimakrise befeuert den Bedarf der breiten Erzeugung von erneuerbarer Energie und der Elektrifizierung der Mobilität. Dazu sind optimierte Materialien für Leistungselektronik erforderlich um die elektrische Energie zwischen Erzeugung, Speicherung und Verbrauch zu verteilen. Eines der am besten geeigneten Materialien für präzise Kontrolle und hohe Effizienz der Schaltung von elektrischer Energie ist der IV-IV Halbleiter Siliziumkarbid (SiC). Die Herstellung der SiC Wafer im industriellen Maßstab ist eine Herausforderung aufgrund der Bildung von verschiedenen Defekten die die Bauteilleistung beeinträchtigen. Typischweise beobachtete planare Defekte sind Übergänge zwischen den zahlreichen verschiedenen Polytypen von SiC. Die Kristallstrukturen der SiC Polytypen unterscheiden sich nur in der Stapelreihenfolge der SiC Doppellagen. Aufgrund dieser strukturellen Ähnlichkeit können sie sehr ähnliche Bildungsenergien haben und während der Synthese konkurrieren. Die typischen Liniendefekte sind durchschlagende Versetzungen und Mikroröhren die den SiC Wafer vertikal schneiden sowie Basalebenen-Versetzungen parallel zur Wachstumsoberfläche. Ziel dieses Projekts ist ein Verständnis der atomaren Prozesse im Physical Vapor Transport (PVT) Wachstum von SiC zur Optimierung der Herstellung von SiC für Leistungselektronikbauteile. Der Fokus ist die Anfangsphase der Defektbildung die von Prozessen auf atomarer Skala bestimmt wird. Der Ansatz sind statische und dynamische atomistische Simulationen von SiC Wachstum in der Gegenwart von Defekten auf und unterhalb der Oberfläche. Dies beinhaltet die Entwicklung der Oberfläche bei endlichen Temperaturen sowie die Adsorption, Desorption, und Diffusion von Si, C und Si-C auf der Oberfläche. Die benötigte Beschreibung der interatomaren Wechselwirkung muss die entgegengesetzten Erfordernisse einer genügend genauen Beschreibung der lokalen atomaren Bindung und einer genügenden rechnerischen Effizienz zur Simulation von ausgedehnten Zeit- und Längenskalen erfüllen. Das Si-C System ist in dieser Hinsicht eine besondere Herausforderung da die Energiedifferenzen der Polytypen die im Wachstum konkurrieren nur wenige meV betragen wogegen die Grösse der experimentell beobachteten Defekte in der Grössenordnung von μm liegt. Diese Anforderungen werden momentan nur von interatomaren Potentialen erfüllt die auf maschinellem Lernen basieren (MLIP), die in der Lage sind eine meV-genaue Interpolation von punktuellen DFT Rechnungen der Potential-Energie Oberfläche zu liefern. Eines der effizientesten und genauesten MLIP ist die atomare Cluster Entwicklung (ACE). Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines ACE Modells für das Si-C System und die Anwendung in atomistischen Simulationen von SiC PVT Wachstum um die atomaren Prozesse zu identidizieren die zur Bildung der experimentell beobachteten Defekte führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Ralf Drautz