FAU-Nachwuchswissenschaftlerin koordiniert neues Schwerpunktprogramm der DFG

Neue Materialien machen Elektronik energieeffizienter

Das Smartphone in der Jackentasche, LEDs als Beleuchtung zuhause und Elektronik für das Ladegerät, die Solaranlage oder das Elektrofahrzeug – sie alle haben eines gemeinsam: Für ihre Funktion sind Halbleitermaterialien und ihre Eigenschaften von zentraler Bedeutung. Wie solche Geräte noch leistungsfähiger, kompakter und energieeffizienter werden können, erforschen Wissenschaftler/-innen an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Dr. Saskia Schimmel, Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente an der FAU, setzt dafür an speziellen Materialeigenschaften neuartiger Nitride an, um elektronische Bauteile so effizient wie möglich zu gestalten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) richtet dazu nun ein neues Schwerpunktprogramm ein, das von der Wissenschaftlerin koordiniert wird.

Schon seit ihrer Promotion im Jahr 2018 beschäftigt sich die Materialforscherin Dr. Saskia Schimmel mit Nitrid-Halbleitern als Basis von elektronischen Bauelementen. In diesen Bauelementen können elektronische Eigenschaften bereichsweise gezielt eingestellt werden, um den Fluss von Ladungsträgern zu steuern. Das gilt beispielsweise für Dioden, die etwa in Solarzellen oder Displays eingesetzt werden und auch für Transistoren, die sich in verschiedensten elektronischen Geräten, wie Computern, finden. „Als Material für Anwendungen in elektronischen Bauelementen sind Nitride, eine chemische Verbindung von Stickstoff mit einem oder mehreren weiteren Elementen, äußerst spannend“, erklärt Schimmel. „Da sie ein besonders breites Spektrum an Eigenschaften abdecken, sind durch sie einzigartige Kombinationen photonischer, elektronischer, ferroelektrischer und elektro-optischer Materialeigenschaften möglich.“ Denn wenn in einem Bauelement verarbeitete Halbleiter-Materialien dem gleichen Materialsystem – wie in diesem Fall Nitriden – angehören, lassen sich unterschiedliche Eigenschaften leichter darin kombinieren.

Technische Lösungen durch Nitride

In einigen Bauelementen sind bereits Nitrid-Halbleiter verbaut, wie beispielsweise Galliumnitrid. Sie sind damit wesentlich effizienter. So haben die weißen LEDs die Glühbirnen in vielen Haushalten aus diesem Grund bereits abgelöst – möglich gemacht haben das die Nitrid-Halbleiter. Und auch in der Leistungselektronik, wie sie in der Elektromobilität zum Einsatz kommt, ersetzen Nitride immer häufiger die bisher gängigen Materialien und machen die Technik leistungsfähiger und ressourcenschonender. Neben dieser kleinen Gruppe vergleichsweise weit entwickelter Materialien, gibt es eine Vielzahl weiterer Nitrid-Halbleiter, die bislang kaum erforscht, aber dennoch vielversprechend sind. Eine neue Entdeckung hat die Wissenschaft auf diesem Gebiet bereits gemacht: Im Jahr 2019 konnten Forschende erstmals nachweisen, dass bestimmte Nitride ferroelektrische Eigenschaften haben. „Diese Entdeckung ermöglicht es beispielsweise, Informationen in Form des Polarisationszustands des Materials zu speichern. Daraus könnten zukünftig Anwendungen in den Informationstechnologien entstehen“, sagt Schimmel. An solchen neuen Möglichkeiten durch noch wenig erforschte Nitride setzt die Arbeit von Schimmel an.

Optimiertes Bauelement-Design

Das neue DFG-Schwerpunktprogramm „Nitrides4Future – Neuartige Materialien und Konzepte für Bauelemente“ zielt darauf ab, die Eigenschaften neuartiger Nitride zu erforschen und optimale Bauelement-Architekturen zu entwickeln – also das Design der Bauelemente so zu gestalten, dass das Potenzial der einzelnen Materialien ausgeschöpft wird. „Es geht vor allem um verbesserte und hinzugekommene Eigenschaften der Materialien und um die Nutzung dieser Eigenschaften in neuartigen Bauelement-Architekturen“, erklärt Schimmel. „Die bisherige Nitrid-Halbleitertechnologie bietet hierbei eine ideale Grundlage, um die neuen Funktionalitäten effizient in Anwendungen zu integrieren.“ In den nächsten sechs Jahren wird Schimmel das Schwerpunktprogramm als Koordinatorin leiten. Die weiteren Mitglieder des Programmausschusses sind Prof. Dr. Oliver Ambacher (Albert-Ludwigs-Universität Freiburg), Prof. Dr. Jürgen Christen (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg), Prof. Dr. Stefanie Kroker (Technische Universität Braunschweig) und Prof. Dr. Bernd Witzigmann (FAU).

Über die Schwerpunktprogramme der DFG

In den geförderten Programmen bearbeiten Forschende Themen, die das Potenzial haben, eine prägende Wirkung auf ein wissenschaftliches Feld zu entfalten – zum Beispiel, wenn sie neue Forschungsgebiete entdecken oder neue Perspektiven und Zugänge zu einem bekannten Forschungsfeld erschließen. In den Schwerpunktprogrammen arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interdisziplinär und ortsübergreifend zusammen. In den kommenden Monaten schreibt die DFG die Programme einzeln aus, um interessierte Forschende für eine Mitarbeit zu gewinnen. Die eingehenden Förderanträge prüft die DFG dann auf ihre wissenschaftliche Qualität und ihren Beitrag zum jeweiligen Hauptthema.

Weitere Informationen:

Dr. Saskia Schimmel
Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente
saskia.schimmel@fau.de