In dieser Forschungsgruppe entwickeln wir fortschrittliche Modellierungsansätze für die Entwicklung, das Verständnis und die Optimierung von Halbleitermaterialien, Heterostrukturen und Bauelementen. Wir kombinieren die Modellierung auf Materialebene mit Simulationen auf Bauelementebene und schlagen damit die Brücke zwischen grundlegenden Materialeigenschaften und der Leistungsfähigkeit neuartiger Halbleitertechnologien.
Ein zentraler Schwerpunkt ist die Entwicklung einer einheitlichen Modellierungsplattform, die Materialparameter, experimentelle Daten und Multiphysik-Simulationen integriert. Der Ansatz kombiniert Finite-Elemente-Modellierung mit elektronischen und optischen Berechnungen, um Dehnung, Bandstruktur, Ladungsträgerverhalten, strahlende Rekombination und Wärmetransport in Halbleiterstrukturen zu untersuchen. Wir folgen den FAIR-Datenprinzipien und arbeiten an zunehmend interoperablen und offenen Modellierungsworkflows.
Forschungrelevanz und Anwendungsbereiche
Prädiktive Materialmodellierung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da sich Halbleitertechnologien hin zu komplexen Materialsystemen, nanoskaligen Geometrien und stark gekoppelten physikalischen Phänomenen entwickeln. Mechanische Dehnung, Temperatur, Zusammensetzung und Bauelementgeometrie können gleichzeitig die elektronischen und optischen Eigenschaften beeinflussen. Integrierte Multiphysik-Ansätze sind daher für das Verständnis und die Optimierung der Bauelementleistung unerlässlich.
Die Aktivitäten der Forschungsgruppe Computational Materials unterstützen die Forschung des IHP in den Bereichen Photonik, Quantentechnologien, fortschrittliche Mikroelektronik und energieeffiziente Bauelemente. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Halbleitersystemen der Gruppe IV, darunter Si, Ge, SiGe, GeSn und SiGeSn. Durch die enge Verknüpfung von Simulationen mit experimentellen Charakterisierungsmethoden wie Röntgenbeugung (XRD), Raman-Spektroskopie und Photolumineszenz (PL) schaffen wir eine Verbindung zwischen Materialentwicklung, experimenteller Charakterisierung und prädiktivem Bauelementdesign.
Zentrale Forschungsziele
- Entwicklung integrierter Multiphysik-Modellierungsmethoden für fortschrittliche Halbleitermaterialien und Bauelemente.
- Verständnis und gezielte Nutzung von Strain Engineering zur Steuerung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Halbleiterheterostrukturen der Gruppe IV.
- Vorhersage von Veränderungen der Bandstruktur durch Dehnung, Zusammensetzung, Geometrie und Temperatur.
- Modellierung gekoppelter mechanischer, thermischer, elektrischer und optischer Phänomene von der Material- bis zur Bauelementebene.
- Entwicklung von Modellierungsansätzen für quantenkompatible Halbleiterarchitekturen, einschließlich verspannter Quantentöpfe und Gate-definierter Strukturen.
- Kombination von Simulationen mit experimentellen Charakterisierungsdaten zur Validierung von Modellen und zur Extraktion von Materialparametern.
- Entwicklung wiederverwendbarer und interoperabler Modellierungsworkflows nach den FAIR-Datenprinzipien.
Forschungsbereiche
Strain Engineering und Materialien der Gruppe IV
Mithilfe der Finite-Elemente-Modellierung untersuchen wir die Verteilung von Dehnungen und Dehnungsgradienten in Si-, Ge-, SiGe-, GeSn- und SiGeSn-Heterostrukturen sowie Mikro- und Nanostrukturen. Die Simulationen unterstützen die Entwicklung mechanisch maßgeschneiderter Materialien für photonische, elektronische und quantentechnologische Anwendungen und werden eng mit Ergebnissen der strukturellen Charakterisierung abgeglichen.
Elektronische und Bandstrukturmodellierung
Wir untersuchen den Einfluss von Dehnung, Zusammensetzung, Temperatur und Geometrie auf die Bandstrukturen von Halbleitern und die Ladungsträgerkonfinierung. Kontinuumsansätze, Deformationspotenzialmodelle und fortschrittliche Berechnungen der elektronischen Struktur werden kombiniert, um mechanische Verformungen mit elektronischen und optischen Eigenschaften zu verknüpfen.
Photonik und optoelektronische Bauelemente
Multiphysik-Simulationen werden auf photonische und optoelektronische Strukturen angewendet, um das Zusammenspiel zwischen mechanischer Verformung, Temperatur, optischen Eigenschaften und Ladungsträgerrekombination zu untersuchen. Ergänzt werden die Modellierungsarbeiten durch Vergleiche mit Raman-Spektroskopie und Photolumineszenz.
Quantenhalbleiterstrukturen
Wir entwickeln Modellierungsansätze für Halbleiterheterostrukturen, die für Quantentechnologien relevant sind, mit besonderem Schwerpunkt auf verspannten Si/SiGe-Quantentöpfen und Gate-definierten Architekturen. Mechanische Simulationen werden mit Berechnungen der elektronischen Struktur und Schrödinger-Poisson-Berechnungen gekoppelt, um Konfinierung, Energieniveaus und dehnungsinduzierte Veränderungen der elektronischen Zustände zu untersuchen.
Thermische und elektrothermische Modellierung
Thermische Simulationen werden auf Material-, Heterostruktur- und Bauelementebene durchgeführt, um Wärmeerzeugung, Wärmetransport und Wärmeabfuhr in fortschrittlichen Halbleitertechnologien zu untersuchen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf gekoppelten elektrothermischen Phänomenen, darunter Selbsterwärmung und die wechselseitige Beeinflussung von Temperaturverteilungen und elektrischem Bauelementverhalten. Diese Ansätze werden auf die Quanten- und Kryoelektronik auf Basis innovativer Materialien und Bauelemente ausgeweitet.
Integrierte Multiphysik-Modellierung
Wir stellen ein Rahmenwerk bereit, das Materialparameter und unterschiedliche Simulationsebenen innerhalb einheitlicher Workflows miteinander verknüpft. Kommerzielle Simulationsumgebungen werden mit intern entwickelten numerischen Werkzeugen und experimentellen Ergebnissen kombiniert, um gekoppelte mechanische, thermische, elektrische, elektromagnetische und optische Phänomene zu modellieren und die Übertragung von Materialwissen in die Bauelemententwicklung zu erleichtern.
