Ziel der Entwicklung
Die erfolgreiche Bewältigung der Energiewende und der globale Übergang zu einer CO2-neutralen Wirtschaft verlangen nach hocheffizienten, skalierbaren Schlüsseltechnologien. Zwei der drängendsten Herausforderungen der Industrie liegen in der Erzeugung von grünem, bezahlbarem Wasserstoff sowie in der Bereitstellung nachhaltiger, leistungsstarker elektronischer Bauelemente.
Bestehende technologische Konzepte in der Opto- und Leistungselektronik sowie in der Wasserstoffwirtschaft stoßen zunehmend an ihre materialtechnischen Grenzen. Hochleistungsschichten basieren heute noch viel zu häufig auf teuren, versorgungskritischen oder toxischen Elementen – wie beispielsweise Gallium oder Indium. Für den notwendigen technologischen Durchbruch ist die Industrie daher zwingend auf die Erschließung völlig neuer Materialsysteme angewiesen. Die Anforderungen des Marktes sind dabei so klar wie anspruchsvoll: Die neuen Werkstoffe müssen strengsten Nachhaltigkeitskriterien genügen – sie müssen umweltverträglich, global verfügbar, kostengünstig und exzellent recyclingfähig sein.
Aus der Wirtschaft kommt der klare Impuls, Lieferkettenrisiken zu minimieren und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Komponenten zu steigern. Unternehmen – insbesondere der technologieorientierte Mittelstand – benötigen Zugriff auf zukunftsfähige Halbleiter- und Schutzschichten, die sich ohne Abhängigkeiten von kritischen Importen in bestehende Wertschöpfungsketten integrieren lassen. Eine zentrale Hürde war bisher jedoch die großflächige, reproduzierbare und damit industriell relevante Herstellung solcher neuartigen Schichtsysteme.
Das Ziel dieses Entwicklungsvorhabens war es, diese Lücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung zu schließen. Im Fokus stand die Erforschung und Etablierung neuartiger ternärer und quaternärer Nitrid-Funktionsschichten (wie beispielsweise ZnTiN2, ZnSnN2, ZnGeN2 oder MoSNx).
Durch den Einsatz umweltverträglicher, plasmabasierter Magnetronsputterprozesse ist es gelungen, diese innovativen Materialien abzuscheiden und gleichzeitig einen industriell skalierbaren Herstellungsprozess zu entwickeln. Das Projekt liefert damit eine direkte Antwort auf die Bedarfe der Wirtschaft: Es etabliert umweltfreundliche, ressourcenschonende und hochleistungsfähige Materialalternativen, die sowohl die Halbleiterphysik als auch die Wasserstoffwirtschaft nachhaltig stärken.
Vorteile und Lösungen
Moderne Schlüsseltechnologien – von der Wasserstoffwirtschaft bis hin zur energieeffizienten Optoelektronik – stehen heute vor einer gemeinsamen Barriere: die Materialressourcen. Der gewählte Lösungsansatz adressiert diese globalen Herausforderungen durch die gezielte Entwicklung einer neuen Klasse von Hochleistungsmaterialien: den Übergangsmetallnitriden und ternären Nitridhalbleitern. Da diese Materialsysteme in der Natur nicht vorkommen, lag der Kern dieses Projekts in der Entwicklung einer hochinnovativen, physikalischen Herstellungstechnologie.
Die prozesstechnische Basis des Erfolgs bildet das Verfahren des reaktiven Magnetronsputterns, welches hierfür modifiziert und erweitert wurde. Einfach erklärt funktioniert dieses Verfahren wie ein atomares Billardspiel: In einer Niederdruckkammer werden feste Metalltargets (z. B. aus Zink, Eisen, Titan oder Molybdän) mit energiereichen Gas-Ionen beschossen. Dadurch lösen sich einzelne Metallatome aus dem Target. Auf den zu beschichtenden Unterlagen (z.B. Polymere, Glas oder Silizium-Wafer), reagieren diese Metallatome mit den reaktiven Stickstoff-Ionen und bilden Nitridschichten im Submikrometerbereich.
Der entscheidende Innovationssprung unseres Ansatzes liegt in der hochfrequenten Plasmaanregung (HF; 27,12 MHz) beim gleichzeitigen Magnetronsputtern von zwei oder bis zu drei Targetmaterialien (Ko-Sputtern). Das hochfrequente Plasma versetzt das naturgemäß inerte Stickstoff-Gas in einen extrem reaktiven Zustand. Die Metallatome reagieren dadurch sehr effektiv mit dem Stickstoff und verbinden sich zu innovativen Nitridschichten auf der Oberfläche des Substrats.
Um von der verfahrenstechnischen Idee zu realen, industriell nutzbaren Bauteilen zu gelangen, musste zunächst das komplexe Zusammenspiel der Prozessparameter beherrscht werden. Die größten Herausforderungen bei der Synthese von Nitridschichten sind Verunreinigungen durch Sauerstoff und ihre sehr geringe Bildungsenthalpie. Durch eine hochpräzise Steuerung des Stickstoffgehalts im Gasgemisch, optimal eingestellte Substratheizung und die Abstimmung der HF-Plasmaleistungen im Ko-Sputtersputterprozess gelang es, die Synthese dieser neuartigen Schichtsysteme reproduzierbar zu machen. Als Testträger dienten Quarzglassubstrate sowie hochreine Siliziumeinkristall-Wafer, auf denen die Schichten kontrolliert aufgewachsen sind.
Nachdem die Schichten stabil hergestellt werden konnten, folgte die funktionale Optimierung. Am Beispiel von Zink-Zinn-Nitrid (ZnSnN2) wurde untersucht, wie sich die physikalischen Eigenschaften durch die Anordnung der Atome im Kristallgitter (die Kationen-Ordnung) verändern lassen. Durch die Untersuchungen an Schichten mit lateralen Zn-Sn- Gradienten gelang es die Prozessparameter zu definieren, um die optische Bandlücke – quasi der optisch nutzbare Energiebereich des Materials gezielt an die Erfordernisse von Funktionsschichten für die Fotovoltaik oder Optoelektronik anpassen zu können.
Innovatives Material bietet nur dann einen wirtschaftlichen Mehrwert, wenn es sich in bestehende Produktionslinien der Halbleiterindustrie integrieren lässt. Hierfür müssen nachfolgende Fertigungsschritte eingesetzt werden, um aus den Nitridhalbleiterschichten optische Halbleiterbauteile und funktionale Strukturen herstellen zu können. Es zeigte sich, dass mittels Trockenätzprozessen – bei denen chemisch reaktive Gase das Schichtmaterial selektiv abtragen – die entwickelten Halbleiterschichten präzise und reproduzierbar strukturiert werden können.
Im finalen Schritt wurden die Schichtsysteme für ihre spezifischen Zielanwendungen optimiert und umfassend charakterisiert, woraus drei technologische Innovationen identifiziert wurden:
Wasserstofftechnologie: Die Schichten (z. B. FeNx, MoNx, NbNx) zeichnen sich als dichte Gasbarrieren aus, die im mechanisch und chemisch sensiblen Randbereich von PEM-Membranen appliziert werden könnten. Sie mindern nachweislich das ungewollte Durchwandern von Gasen (Gas-Cross-Over).
Ressourceneffizienz: Mit den Systemen ZnSnN2 und ZnTiN2 wurde eine Familie von Halbleitern realisiert, die auf preiswerten, ungiftigen und verfügbaren Elementen (Zink, Zinn, Titan) basieren.
Opto- und Leistungselektronik: ZnGeN2-Schichten haben das Potenzial für die Entwicklung von effizienten Bauteilen für die Leistungselektronik.
Der gewählte Lösungsansatz demonstriert erfolgreich, wie durch die Kombination von innovativer Plasmatechnik und präziser Prozesssteuerung neue, nachhaltige Materialien von der Grundlagenforschung in die praktische, industrielle Anwendbarkeit überführt werden können.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die primären Zielmärkte des Projekts liegen in globalen, technologisch hochdynamischen Wachstumssegmenten, die für die Dekarbonisierung und Digitalisierung der Industrie von zentraler Bedeutung sind: Hierzu zählen nationale und internationale Hersteller von Elektrolyse- und Brennstoffzellensystemen (insbesondere Produzenten von PEM-Komponenten) sowie Entwickler von Photokatalysesystemen zur solaren Wasserstofferzeugung. Der Markt für Opto- und Leistungselektronik umfasst globale Hersteller in der LED- und Transistorenfertigung. Die Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial ressourceneffiziente Alternative für den Halbleitermarkt, der stark durch asiatische und US-amerikanische Akteure geprägt ist. Zusätzlich angesprochen werden Entwickler von Sensorlösungen für aggressive Umgebungen (z. B. chemische Verfahrenstechnik, Luft- und Raumfahrt).
Das Vorhaben adressiert insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Da diese im Regelfall weder über eigene Reinräume noch über umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsbudgets (FuE) verfügen, schließt das Projekt eine kritische Lücke, indem es High-Tech-Materialien ohne immense Eintrittsbarrieren zugänglich macht.
Anwenderunternehmen profitieren auf mehreren Ebenen direkt von den Projektergebnissen: Die Schichtsysteme (z. B. ZnSnN2, ZnTiN2) basieren auf weltweit verfügbaren, ungiftigen und günstigen Elementen (Zink, Zinn, Titan). Anwender können dadurch teure, kritische oder toxische Herstellungsprozesse für Materialien wie Galliumnitrid (GaN) ersetzen und sich von volatilen Rohstoffmärkten entkoppeln.
In der Wasserstofftechnologie führen die Nitridschichten (FeNx, MoNx, NbNx) als korrosionsbeständige Gasbarrieren zu einer signifikanten Minderung des oxidativen Stresses auf die PEM-Membran. Für den Anwender bedeutet dies langlebigere Systeme und sinkende Wartungs- und Betriebskosten.
Wettbewerbsvorteile in Nischenmärkten: KMU erhalten Zugriff auf maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften (z. B. einstellbare optische Bandlücken).
Der Transfer der Ergebnisse in die Anwenderunternehmen ist so konzipiert, dass er pragmatisch, hochpräzise und modular integrierbar erfolgt: Die entwickelten reaktiven Magnetron-sputterprozesse sind auf industrielle Beschichtungsanlagen übertragbar. Über Kooperationen lassen sich spezifische Schichtsysteme auf die individuellen Substrate und Geometrien der Partnerunternehmen anpassen.
Für unsere eigene Einrichtung generiert das Projekt nachhaltige wirtschaftliche und strategische Effekte: Die erfolgreiche Validierung der Metallnitride bildet die Basis für weiterführende, teils direkt von der Industrie finanzierte Entwicklungsprojekte. Die entwickelten Sputterprozesse und Materialzusammensetzungen bieten Potenzial für Patentierungen. Mit diesen Forschungsarbeiten positioniert sich die Forschungseinrichtung OUT im Bereich der ternären Nitridhalbleiter und innovativen Plasmatechnik. Der systematische Kompetenzaufbau stärkt das Profil der Einrichtung und schafft eine fundierte Basis für zukünftige Kooperationen im Rahmen der industriellen Auftragsforschung.
