Ionenstrahlunterstützt synthetisierte/modifizierte Dünnschichten

Mittels Ionenstrahlunterstützter Abscheidung (IBAD) bzw. ionenstrahlunterstützter Molekularstrahlepitaxie (IBA-MBE), einem Hybrid aus herkömmlicher physikalischer Dünnschicht- und Ionenstrahltechnik, können dünne Schichten mit optimierten Eigenschaften, z.B. mit einer hohen Massendichte, synthetisiert werden. Charakteristisch für dieses Verfahren ist, dass die herzustellende dünne Schicht während des Abscheideprozesses im Vakuum simultan mit einem niederenergetischen Ionenstrahl bestrahlt wird. Dadurch erfolgt ein Eintrag zusätzlicher Energie bzw. Impulses in die Oberfläche der wachsenden Schicht, wodurch Oberflächendiffusionsprozesse gezielt beeinflusst werden können, um Kristallinität und Mikrostruktur der erzeugten Schicht zu optimieren. Vorteile des Verfahrens sind die sehr gute Kontrollierbarkeit des Prozesses aufgrund voneinander separierter Materialstrahlen, das weite Parameterfeld, sowie die Möglichkeit, amorphe, polykristalline und nahezu einkristalline Schichten zu erzeugen. Das hauptsächliche Anwendungsgebiet des Verfahrens am IOM stellt die Synthese nitridischer Dünnfilme dar.

Expertise

  • Abscheidung dünner Schichten
  • In situ und ex situ Charakterisierung von Oberflächen und dünnen Schichten
  • Ionenstrahlunterstützte Abscheidung (IBAD) polykristalliner Schichten
  • Energie- und massenselektierte ionenstrahlunterstützte Abscheidung (EMS-IBAD)
  • Ionenstrahlunterstützte Molekularstrahlepitaxie (IBA-MBE)

Highlights

  • Influence of nitrogen ion species on mass-selected low energy ion-assisted growth of epitaxial GaN thin films

    M. Mensing, P. Schumacher, J.W. Gerlach, S. Herath, A. Lotnyk, B. Rauschenbach
    Applied Surface Science  498 (2019) 143830
    https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143830

    Ein Aufbau zur massen- und energie­selektiven ionenstrahlunterstützten Abscheidung wird hier angewendet, um den Einfluss von atomaren und molekularen Stickstoffionen auf das epitaktische Anfangswachstum von GaN-Schichten zu untersuchen. Eine präzise Wahl der Ionenstrahlparameter ermöglicht das bevorzugte Wachstum entweder der Zinkblende-Phase oder der wurtzitischen GaN-Phase auf 6H-SiC(0001)-Substraten. Mit N2+ als Assistenzionenspezies können selbst bei einer Ionenenergie von 80 eV noch Epitaxieschichten hoher kristalliner Qualität erhalten werden.

  • Ion mass and energy selective hyperthermal ion-beam assisted deposition setup

    J.W. Gerlach, P. Schumacher, M. Mensing, S. Rauschenbach, I. Cermak, B. Rauschenbach
    Review of Scientific Instruments 88 (2017) 063306
    https://doi.org/10.1063/1.4985547

    In dieser Arbeit wird ein kompakter Aufbau zur ionenmassen- und ionenenergie­selektiven ionenstrahlunterstützten Abscheidung (IBAD) vorgestellt. Zu diesem Zweck wurde eine Stickstoffionenquelle mit einem maßgeschneiderten Quadrupolmassen­filtersystem kombiniert, das mit Eingangs- und Ausgangsionenoptiken, Ionenstrahl­ablenkern sowie einer integrierten Ionenstrahlstrommessung ausgestattet ist. Dieser Quadrupolaufbau ermöglicht es, die Zusammensetzung des Ionenstrahls so einzustellen, sodass entweder nur atomare oder nur molekulare Stickstoffionen im Strahl enthalten sind. Darüber hinaus kann die kinetische Energie der Ionen innerhalb des Bereichs der hyperthermischen Ionen ausgewählt werden.

  • Ion beam assisted deposition of thin epitaxial GaN films

    B. Rauschenbach, A. Lotnyk, L. Neumann, D. Poppitz, J.W. Gerlach
    Materials  10 (2017) 690
    https://doi.org/10.3390/ma10070690

    Stickstoffionenassistierte Molekularstrahlepitaxie (Ionenenergie < 25 eV) wird hier verwendet, um GaN-Dünnschichten auf 6H-SiC(0001)-Substraten abzuscheiden. Es wird gezeigt, dass der Wachstumsmodus durch die Änderung des Ionen-zu-Atom-Verhältnisses kontrolliert werden kann, wobei im 2D-Modus gewachsene Schichten sich durch eine glatte Oberfläche, hohe kristalline Qualität, niedrige biaxiale Verspannung und niedrige Defektdichte auszeichnen. Typische strukturelle Defekte sind basale Stapelfehler, Kleinwinkelkorngrenzen zwischen Polytypen und Zwillingsgrenzen.