Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter der Verwendung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) und neu entwickelten SiC - Verbundpulvern hoch SiC - haltige Spritzschichten für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz herzustellen. Da sich SiC in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeiten lässt, besteht zunächst die Aufgabe SiC - Verbundpulver zu entwickeln, in denen Reaktionen der SiC - Partikel mit Matrix während der spritztechnischen Verarbeitung weitgehend vermieden werden, und eine gute Benetzung der SiC - Partikel erfolgt. Auf der Grundlage phasentheoretischer Überlegungen werden unterschiedliche Matrixlegierungen für das Herstellen neuartiger SiC - Verbundpulver entwickelt. Eine Grundlage dieser theoretischen Untersuchungen ist eine umfassende Literaturrecherche zum Benetzungsverhalten von Siliziumkarbid sowie das Ermitteln spezifischer Materialkennwerte. Die Untersuchungen zeigen auf, dass die Zersetzung von SiC im Bereich der Primärkristallisation der entsprechenden Matrixlegierungen erfolgt. Legierungszusammensetzungen, die Legierungszustandspunkte außerhalb der die Primärkristallisation begrenzenden eutektischen Rinne aufweisen, ermöglichen es, die Reaktivität der Matrixlegierung mit den SiC - Partikeln zu reduzieren und ein ausreichendes Benetzen zu realisieren. Auf Basis dieser Untersuchungen werden für kombinierte Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen Matrixlegierungen auf Ni - bzw. Co - Basis entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden agglomerierte und gesinterte, sowie mechanisch gemischte Pseudolegierungen auf unterschiedlichen HVOF Systemen spritztechnisch verarbeitet. Die detaillierten Untersuchungen dokumentieren, dass es möglich ist, hoch SiC - haltige Spritzschichten für Verschleiß- und Korrosionsanwendungen mittels HVOF herzustellen. Bei der Korrelation des SiC - Gehalts in den Spritzschichten zu den Prozessparametern kann ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Prozesstemperatur sowie der Verweilzeit im Heißgasstrahl und dem SiC - Gehalt aufgezeigt werden. In den Untersuchungen können keine Zersetzungserscheinungen in den Spritzschichten nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorwettbewerblichen Untersuchungen konnten die metallurgischen und prozesstechnischen Grundlagen für das Herstellen hoch SiC -haltiger Verbundschichten erarbeitet werden. Trotz der Komplexität der Zusammenhänge ergeben sich eindeutige, wissenschaftlich abgesicherte Richtlinien für die industrielle Umsetzung eines derartigen Schichtsystems, mit dem bis zu 60 Prozent der Beschichtungskosten für mittlere Verschleißbeanspruchungen eingespart werden können.

Das stoffschlüssige Fügeverfahren Löten ermöglicht vakuumdichte und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit hoher Festigkeit. Es zeichnet sich insbesondere durch seine gute Eignung für die Fertigung von Massenteilen bzw. von Teilen mit vielen schwer zugänglichen Fügestellen aus. Grundvoraussetzung für die gezielte Optimierung des Lötprozesses ist das Verständnis der dabei ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse sowie des Einflusses der Lötparameter auf die Eigenschaften der Lötverbindung. Die Dissertation soll einen Beitrag zum Verständnis der beim Löten von Keramiken auftretenden physikalischen und chemischen Prozesse und der Wirkung der Prozessparameter liefern, um eine gezielte Optimierung des Lötprozesses zu ermöglichen. Dabei kommen erstmals in der Löttechnik durchgängig numerische Simulationsverfahren zum Einsatz. Die Schwerpunkte der Arbeit sind numerische Modelle und Simulationsstudien - sowie deren experimentelle Verifikation ? zur Benetzungskinetik des Lotes auf der Keramikoberfläche und der Spaltfüllung, den diffusionsgesteuerten Reaktionsmechanismen, die zur Umwandlung der Keramikoberfläche führen und den Spannungen in den Lötverbindungen. Mit Hilfe der verwendeten Simulationsmodelle für Benetzungsvorgänge lassen sich das Benetzungs - und das Spaltfüllvermögen von Loten auf metallisierter Keramik vorhersagen. Die numerischen Untersuchungen werden durch die Ergebnisse von Benetzungs- und Lötversuchen gestützt. Die Dicke der Reaktionszone besitzt einen entscheidenden Einfluß auf die Festigkeit der Lötverbindung. Zur Simulation des Reaktionszonenwachstums wird bisher ein Ansatz ohne Berücksichtigung des Temperaturzyklus verwendet. Dieser Ansatz ist für Lötprozesse wenig brauchbar, da insbesondere beim Keramiklöten langsames Aufheizen und Abkühlen erfolgt und die Haltezeit im Vergleich dazu gering ist. Aufheizen und Abkühlen oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes tragen jedoch auch zum Reaktionszonenwachstum bei. Für definierte Aufheiz- und Abkühlraten ist dieser Anteil konstant und kann berechnet werden. Die entsprechende Gleichung gilt jedoch nur für eine konstante Löttemperatur, da der Wachstumskoeffizient exponentiell von der Temperatur abhängig ist und somit sensibel auf Temperaturschwankungen reagiert. Diese lassen sich jedoch beim Löten nicht vermeiden, so daß insbesondere bei kurzen Haltezeiten der exakte Temperaturzyklus berücksichtigt werden sollte. Damit wird es möglich, die Reaktionszonendicken beliebiger Temperaturzyklen vorherzusagen. Desweiteren kann mit dem Modell für Diffusionsprozesse in-situ in die Steuerung des Lötprozesses eingegriffen werden, falls Ist- und Sollkurve stark voneinander abweichen. Dabei läßt sich in Echtzeit ein äquivalenter Lötzyklus berechnen, der die gleichen Diffusionsprozesse bewirkt, wie der ursprünglich vorgesehene. Das Modell kann somit dazu beitragen, Ausschuß zu vermeiden. Neben der Berechnung der Dicke der Reaktionszonen in Metall-Keramik-Verbindungen ist es auch möglich, mittels thermodynamischer Berechnungen auf die darin enthaltenen Reaktionsprodukte zu schließen. Die vorausberechneten binären Phasen können auch experimentell nachgewiesen werden. Weiterhin lassen sich auch komplexe Phasen analysieren, die gegenwärtig numerisch noch nicht vorhergesagt werden können. Eine Vorhersage der Bildung dieser Phasen ist erst möglich, wenn die entsprechenden Reaktionsgleichungen aufgestellt werden können und die für die Berechnung der Änderung der freien Enthalpien der Reaktionen erforderlichen thermodynamischen Größen bestimmt wurden. Im Gegensatz zu schweißtechnischen Aufgabenstellungen wird bisher in der Löttechnik bei numerischen Simulationen der Spannungen in der Lötverbindung der Einfluß von Temperaturgradienten im Bauteil nicht berücksichtigt. Aus den Temperaturgradienten resultieren im Bauteil unterschiedliche thermische Dehnungen. Aufgrund dieser Dehnungsunterschiede entstehen Spannungen im Bauteil, die sich den durch die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien verursachten thermischen Eigenspannungen überlagern. Überschreiten die resultierenden Spannungen die ertragbaren Spannungen eines Materials, kommt es zum Versagen des Bauteils. FEM-Simulationen gestatten die Berechnung der während des Lötzyklus im Lötverbund resultierenden Spannungen unter Berücksichtigung von Temperaturgradienten. Damit ist es möglich, den Einfluß unterschiedlicher Abkühlraten auf die Bauteilspannungen zu untersuchen, um zum einen möglichst kurze Durchlaufzeiten zu erreichen und zum anderen die ertragbaren Spannungen des Bauteils während des Lötprozesses sowie des späteren Einsatzes nicht zu überschreiten.

In dieser Arbeit wurden winkelaufgeloeste Photoemissionsuntersuchungen (ARUPS)und Messungen der Reflexionsanisotropie (RAS) durchgefuehrt. Fuer die Experimente standen p-3C-SiC(001)/n-3C-SiC(001)/n-Si-Proben zur Verfuegung. Den Mittelpunkt bildeten sowohl die Praeparation verschiedener Oberflaechen- rekonstruktionen als auch die oben genannten Untersuchungsmethoden. Fuer die Praeparation wurden zwei unterschiedliche Heizverfahren verwendet - die Elektronenstoßheizung und die direkte Heizung. Die Charakterisierung der Oberflaechenrekonstruktion erfolgte mittels LEED. Die Untersuchungen wurden an den Hauptrekonstruktionen der (001)-Oberflaeche des kubischen Siliziumkarbids - der (3x2)-, der (2x1)- und der c(2x2)- Rekonstruktion - durchgefuehrt, welche mit der direkten Heizmethode praepa- riert worden waren. Aus den winkelaufgeloesten Photoemissionsspektren konnten die jeweiligen Oberflaechenbandstrukturen ermittelt werden. Daraus ließen sich Schlußfolgerungen ueber die Ausbildung von Oberflaechenzustaenden bzw. Oberflaechenresonanzen treffen. Die RAS-Spektren zeigten für alle Rekonstruk- tionen deutlich unterschiedliche Verlaeufe.

Graphene, a single layer of carbon atoms, exhibits unique electronic properties and successfully acts as a pioneer in the field of two-dimensional material systems. Reliable and scalable synthesis methods as well as understanding of the underlying processes are essential to fully exploit the potential of these materials. Apart from that, due to the two-dimensional nature of these systems, the interaction with a substrate surface easily affects their properties and simultaneously allows to manipulate them. This thesis presents a detailed study of graphene layers grown by polymer-assisted sublimation growth on different SiC polytypes. Different surface terminations of the hexagonal 4H and 6H SiC polytype alter the electronic properties of the graphene layer. This also shows up as differences in the electron reflectivity, for which possible explanations are discussed, e.g. the influence of the spontaneous polarization of the hexagonal polytypes. Dislocations and stacking domains in epitaxial monolayer and bilayer graphene are identified by means of darkfield microscopy and point towards strain between the successive layers. In monolayer graphene, thin dislocation lines indicate uniaxial strain, while larger, triangular stacking domains in bilayer graphene are the result of isotropic strain between the two graphene layers. Epitaxial monolayer graphene is transformed into quasi-freestanding bilayer graphene by hydrogen intercalation, which alters the strain between the layers such that the typical bilayer stacking domains emerge. Graphene grown by chemical vapor deposition frequently shows a wrinkled surface, which can be attributed to the formation of surface facets. The structure of these facets is imprinted in the graphene layers, which maintain this structure even after the transfer onto an epitaxial buffer layer. The surface restructuring of the growth substrate is driven by the graphene formation itself as the surface facets undergo a step bunching with increasing graphene coverage. In bilayer graphene stacking domains are observed which differ systematically from the domains found in epitaxial bilayer graphene. The underlying strain in the layers strongly correlates with the faceting of the substrate such that the stacking order changes in the vicinity of the inclined surface facets. Just like the surface facets, the stacking domains are robust during the transfer on a target substrate and can be observed on the epitaxial buffer layer. The results of this studies underline the importance of the interaction with the substrate in order to understand the properties of graphene and many related two-dimensional materials. Understanding these interactions enables the manipulation of material’s properties, e.g. the stacking order of heterostructures.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183 / Graphen ist eine monoatomar dünne Kohlenstoffschicht mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften, die erfolgreich als Modellsystem für vielseitige Pionierarbeit auf dem Forschungsgebiet zweidimensionaler Materialien dient. Hierbei sind zuverlässige, skalierbare Herstellungsmethoden und das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen essentiell, um das Potential dieser Materialien vollumfänglich ausschöpfen zu können. Darüber hinaus liegt es in ihrer zweidimensionalen Natur, dass durch die Wechselwirkung mit den verwendeten Substratoberflächen die Eigenschaften der dünnen Materialien entscheidend beeinflusst werden und somit manipuliert werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine umfassende Charakterisierung von Graphenschichten, die mittels polymerunterstützter Sublimationsepitaxie auf verschiedenen SiC-Kristallen hergestellt wurden. Es wird gezeigt, dass verschiedene Terminierungen der hexagonalen Polytypen 4H und 6H des SiC-Substrats das Graphen in seinen elektronischen Eigenschaften verändern. Dies äußert sich durch Unterschiede in der Elektronenreflektivität, für die verschiedene Ursachen, wie der Einfluss der spontanen Polarisation der hexagonalen Polytypen, diskutiert werden. Versetzungen und Stapeldomänen in Monolagen- und Bilagen-Graphen auf SiC werden durch Dunkelfeldmikroskopie identifiziert und weisen auf Verspannungen zwischen den Schichten hin. Während auf Monolagen-Graphen schmale Versetzungslinien auf uniaxiale Verspannung hinweisen, deuten größere, dreieckige Domänen in Bilagen-Graphen auf isotrope Verspannung zwischen zwei Graphenlagen hin. Durch die Interkalation von Wasserstoff kann Monolagen-Graphen in quasifreistehendes Bilagen-Graphen umgewandelt werden, wodurch sich die Verspannung verändert und die für Bilagen-Graphen typischen Stapeldomänen gebildet werden. Graphen, das durch chemische Gasphasenabscheidung auf Kupfer hergestellt wird, zeigt häufig eine faltige Oberfläche, die auf Facetten der Substratoberfläche zurückzuführen ist, und auch nach dem Transfer auf eine durch Sublimationsepitaxie hergestellte Pufferschicht vorhanden ist. Das Graphenwachstum selbst fördert die Restrukturierung der Substratoberfläche zu Facetten, sodass mit steigender Schichtdicke eine Art Stufenbündelung benachbarter Facetten zu beobachten ist. Bilagen-Graphen zeigt auch hier Stapeldomänen, die sich jedoch deutlich von den Domänen in epitaktischem Graphen unterscheiden. Die zugrundliegende Verspannung hängt hier stark mit der Facettierung der Substratoberfläche zusammen, wodurch sich die Stapelfolge in der Nähe der inklinierten Flächen des Substrats ändert. Die Stapeldomänen sind, wie die Falten im Graphen, ausreichend stabil, um auch nach dem Transfer auf ein Zielsubstrat beobachtet zu werden. Die Ergebnisse der Arbeiten unterstreichen, dass die Wechselwirkung mit dem Substrat einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis von Graphen und damit weiterer zweidimensionaler Materialien leistet und damit die Möglichkeit eröffnet, die Eigenschaften wie beispielsweise die Stapelfolge der Materialien in Heterostrukturen gezielt zu beeinflussen.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Siliziumkarbid 5 2.2 Graphen 9 2.3 Wachstum von epitaktischem Graphen auf SiC 14 2.4 Chemische Gasphasenabscheidung von Graphen auf Metallsubstraten 18 3 Experimentelle Methoden 19 3.1 Photoelektronenspektroskopie 19 3.2 Niederenergie-Elektronenmikroskopie 30 3.2.1 Das Instrument 30 3.2.2 Kontrastentstehung 33 3.2.3 Messmodi 38 3.3 Rasterkraftmikroskopie 43 3.4 Elektronenstrahlverdampfer 45 4 Polymerunterstütztes Sublimationswachstum auf SiC(0001) 47 4.1 Untersuchungen zur Optimierung des PASG-Prozesses 47 4.2 Stapeldomänen und Versetzungslinien in PASG-Graphen 59 4.3 Präparation von n-typ und p-typ Graphenstreifen 68 4.4 Zusammenfassung 81 5 Graphen auf inäquivalenten Siliziumkarbid-Terminierungen 83 5.1 Step-flow Model mit minimaler Stufenhöhe 83 5.2 Identifikation der Stapelterminierung 88 5.3 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 6H-SiC 93 5.4 Graphen auf inäquivalenten Terminierungen auf 4H-SiC 106 5.5 Zusammenfassung 110 6 Graphen auf Kupferfolie und Transfer auf eine Pufferschicht 113 6.1 Graphen auf poly-kristalliner Kupferfolie 113 6.2 Graphen auf Cu(111) 115 6.3 Facettierung der Kupferoberfläche 121 6.4 Identifikation von Domänen unterschiedlicher Stapelfolge 126 6.5 Transfer auf eine epitaktische Pufferschicht 128 6.6 Zusammenfassung 133 7 Untersuchungen zur Abscheidung von Nickel auf epitaktischem Graphen 135 7.1 Wachstumsverhalten dünner Schichten 135 7.2 Das Wachstum auf Graphen und Pufferschicht 137 7.3 Temperatureinfluss auf das Wachstum 141 7.4 Kornvergrößerung der Nickelcluster 145 7.5 Zusammenfassung 150 8 Zusammenfassung 153 9 Anhang 157 9.1 Labor-Anleitung zum PASG-Prozess 157 9.2 Auswertung der am LEEM generierten ARPES-Daten 159 10 Literaturverzeichnis 165 11 Danksagung 175 12 Publikationsliste 181 13 Konferenzbeiträge 183

In dieser Arbeit wurden winkelaufgeloeste Photoemissionsuntersuchungen (ARUPS)und Messungen der Reflexionsanisotropie (RAS) durchgefuehrt. Fuer die Experimente standen p-3C-SiC(001)/n-3C-SiC(001)/n-Si-Proben zur Verfuegung. Den Mittelpunkt bildeten sowohl die Praeparation verschiedener Oberflaechen- rekonstruktionen als auch die oben genannten Untersuchungsmethoden. Fuer die Praeparation wurden zwei unterschiedliche Heizverfahren verwendet - die Elektronenstoßheizung und die direkte Heizung. Die Charakterisierung der Oberflaechenrekonstruktion erfolgte mittels LEED. Die Untersuchungen wurden an den Hauptrekonstruktionen der (001)-Oberflaeche des kubischen Siliziumkarbids - der (3x2)-, der (2x1)- und der c(2x2)- Rekonstruktion - durchgefuehrt, welche mit der direkten Heizmethode praepa- riert worden waren. Aus den winkelaufgeloesten Photoemissionsspektren konnten die jeweiligen Oberflaechenbandstrukturen ermittelt werden. Daraus ließen sich Schlußfolgerungen ueber die Ausbildung von Oberflaechenzustaenden bzw. Oberflaechenresonanzen treffen. Die RAS-Spektren zeigten für alle Rekonstruk- tionen deutlich unterschiedliche Verlaeufe.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter der Verwendung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) und neu entwickelten SiC - Verbundpulvern hoch SiC - haltige Spritzschichten für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz herzustellen. Da sich SiC in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeiten lässt, besteht zunächst die Aufgabe SiC - Verbundpulver zu entwickeln, in denen Reaktionen der SiC - Partikel mit Matrix während der spritztechnischen Verarbeitung weitgehend vermieden werden, und eine gute Benetzung der SiC - Partikel erfolgt. Auf der Grundlage phasentheoretischer Überlegungen werden unterschiedliche Matrixlegierungen für das Herstellen neuartiger SiC - Verbundpulver entwickelt. Eine Grundlage dieser theoretischen Untersuchungen ist eine umfassende Literaturrecherche zum Benetzungsverhalten von Siliziumkarbid sowie das Ermitteln spezifischer Materialkennwerte. Die Untersuchungen zeigen auf, dass die Zersetzung von SiC im Bereich der Primärkristallisation der entsprechenden Matrixlegierungen erfolgt. Legierungszusammensetzungen, die Legierungszustandspunkte außerhalb der die Primärkristallisation begrenzenden eutektischen Rinne aufweisen, ermöglichen es, die Reaktivität der Matrixlegierung mit den SiC - Partikeln zu reduzieren und ein ausreichendes Benetzen zu realisieren. Auf Basis dieser Untersuchungen werden für kombinierte Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen Matrixlegierungen auf Ni - bzw. Co - Basis entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden agglomerierte und gesinterte, sowie mechanisch gemischte Pseudolegierungen auf unterschiedlichen HVOF Systemen spritztechnisch verarbeitet. Die detaillierten Untersuchungen dokumentieren, dass es möglich ist, hoch SiC - haltige Spritzschichten für Verschleiß- und Korrosionsanwendungen mittels HVOF herzustellen. Bei der Korrelation des SiC - Gehalts in den Spritzschichten zu den Prozessparametern kann ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Prozesstemperatur sowie der Verweilzeit im Heißgasstrahl und dem SiC - Gehalt aufgezeigt werden. In den Untersuchungen können keine Zersetzungserscheinungen in den Spritzschichten nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorwettbewerblichen Untersuchungen konnten die metallurgischen und prozesstechnischen Grundlagen für das Herstellen hoch SiC -haltiger Verbundschichten erarbeitet werden. Trotz der Komplexität der Zusammenhänge ergeben sich eindeutige, wissenschaftlich abgesicherte Richtlinien für die industrielle Umsetzung eines derartigen Schichtsystems, mit dem bis zu 60 Prozent der Beschichtungskosten für mittlere Verschleißbeanspruchungen eingespart werden können.

Graphen ist eine einatomar dünne Schicht von Kohlenstoffatomen mit besonderen elektronischen Eigenschaften. Epitaktisches Wachstum von Graphen auf der Silizium-terminierten Oberfläche von Siliziumkarbid (SiC) wird weithin als eine der geeignetsten Methoden zur Herstellung von großflächigem Graphen für elektronische Anwendungen angesehen. In dieser Arbeit werden verschiedene Dotierungsmechanismen von Graphen auf SiC theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Auf der Silizium-terminierten SiC-Oberfläche gewachsenes Graphen besitzt einen Überschuss an Elektronen (n-Dotierung). Wird die SiC/Graphen-Grenzfläche mit Wasserstoff passiviert und das Graphen vom Substrat entkoppelt, liegt dagegen Löcherleitung vor (p-Dotierung). Die p-Dotierung von quasifreistehendem Graphen (QFG) auf hexagonalem SiC wird durch die spontane Polarisation des Substrats erklärt. Dieser Mechanismus basiert auf einer Volumeneigenschaft von SiC, die bei jeden hexagonalem Polytyp des Materials vorhanden und unabhängig von Einzelheiten der Grenzflächenbildung ist. Die n-Dotierung des epitaktischen Graphens (EG) wird durch Grenzflächenzustände erklärt, die die Polarisationsdotierung überkompensieren. Die Austrittsarbeit und elektronische Struktur von EG sowie QFG werden ebenfalls untersucht. Es wird beobachtet, dass die Austrittsarbeit gegen den Wert von Graphit konvergiert, wenn die Anzahl der Graphenschichten erhöht wird. Außerdem, Messungen der Oberflächenphotospannung werden im Zusammenhang mit verschiedenen Rekombinationsraten an der Grenzfläche von EG und QFG diskutiert.

Stand der Technik sind IGBTs und Freilaufdioden aus Silizium (Si). Jahrzehntelange Forschung hat zu einer nahezu perfekten Technologie geführt. Jedoch werden die Fortschritte hinsichtlich der Reduzierung von Schalt- und Durchlassverlusten mit jeder neuen Generation von Si-IGBTs immer kleiner. Die anfallende Verlustleistung kann jedoch signifikant mit Leistungshalbleiter-Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) gesenkt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob und inwieweit mit diskreten SiC-Bipolartransistoren im TO-247- und SiC-Schottky-Dioden im TO-220-Gehäuse der Wirkungsgrad eines Antriebsstromrichters gesteigert werden kann. Ein Exkurs in die Siliziumkarbid-Halbleitertechnologie am Anfang soll deren Vorteile in Hinblick auf verlustärmere Leistungselektronik aufzeigen. Die Vorteile des Halbleitermaterials Siliziumkarbid werden anhand des SiC-Bipolartransistors im Vergleich zum ersten Leistungstransistor - dem Bipolartransistor aus Silizium - herausgearbeitet. Beim SiC-Bipolartransistor muss im laststromführenden Zustand ein Steuerstrom in die Basis eingeprägt werden. Damit erhöht sich der Treiberaufwand. Deshalb wird der erste Themenschwerpunkt auf den Treiber gelegt. In dieser Arbeit wurden ein einfacher und ein komplexer Treiber aufgebaut und evaluiert. Mit leichten Modifikationen wurden mit dem komplexeren Treiber auch IGBTs und SiC-MOSFETs für Vergleichsmessungen angesteuert. Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Treiberverlustleistung im Wechselrichter mit SiC-Bipolar-Transistoren wird vorgestellt. Er setzt beim Kommutierungsalgorithmus des Wechselrichters an. Ein wesentlicher Teil der Arbeit widmet sich der Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors, insbesondere dem Schaltverhalten. Ein- und Ausschaltwärmen für verschiedene Arbeitspunkte werden ermittelt. Am Ende der Arbeit werden experimentelle Untersuchungen an einem SiC-Wechselrichter durchgeführt. Abschließend werden die Potenziale, die mit dem Einsatz von SiC-Bipolartransistoren verbunden sind, bewertet aber auch die Grenzen aufgezeigt.:1 Einleitung 1 2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors 2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30 3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors 3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34 3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung 4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors 5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55 5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65 5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66 5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68 5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69 5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74 5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79 5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79 5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81 5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter 6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91 6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7 Zusammenfassung und Fazit 101 Literaturverzeichnis 104 A Anhang A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114 A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116 A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121 A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 / State-of-the-art are IGBTs and free-wheeling diodes made of silicon (Si). Decades of research have led to an almost perfect technology. Nevertheless, progress in terms of reduction of switching and forward conducting losses becomes smaller and smaller with each new generation of Si IGBTs. The resulting power dissipation, however, can be significantly reduced with power semiconductor devices made of silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). The objective of this work is to investigate whether and to what extent discrete SiC bipolar junction transistors (BJT) in TO-247 and SiC Schottky diodes in TO-220 packages can be used to increase the efficiency of a power drive inverter. At the beginning, a digression into silicon carbide semiconductor technology is intended to show its advantages in terms of lower-loss power electronics. The advantages of the semiconductor material silicon carbide are illustrated by the SiC bipolar junction transistor in comparison with the first power transistor - the silicon bipolar junction transistor. For the on-state of SiC bipolar junction transistors, a continuous current must be injected into the base. This increases the driving effort. Therefore, the first topic focuses on the driver. In this work, a simple and a complex driver were built and evaluated. With slight modifications, the more complex driver was also used to drive IGBTs and SiC-MOSFETs for comparative measurements. A new approach to reduce driver power dissipation in the inverter when using SiC bipolar junction transistors is presented. It focuses on the commutation algorithm of the inverter. A significant part of the work is devoted to the characterization of the SiC bipolar junction transistor, especially the switching behavior. Turn-on and turn-off switching losses for different operating points are determined. At the end of the work, experimental investigations are performed on a SiC inverter. Finally, the potentials associated with the use of SiC bipolar junction transistors are evaluated but also the limitations are shown.:1 Einleitung 1 2 Aufbau des SiC-Bipolartransistors 2.1 Siliziumkarbid (SiC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Eigenschaften von monokristallinem Siliziumkarbid . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Herstellung des SiC-Wafers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.3 Herstellung des SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.4 Defekte im Siliziumkarbidkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Halbleiterphysikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1 Gesperrter pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 Stromführender pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.1 Aufbau und Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Sperrfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.3 Erster und zweiter Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.4 Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.5 Ladungsträgermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.6 Eindimensionaler spezifischer Widerstand der Driftzone . . . . . . . . 30 3 Ansteuerung des SiC-Bipolartransistors 3.1 Einführung Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Herausforderungen beim Ansteuern von SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . 34 3.3 Treiberkonzepte für SiC-Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Konventioneller Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.5 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Treiber für SiC-MOSFET und IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4 Reduzierung der Treiberverluste durch Einschrittkommutierung 4.1 Einschrittkommutierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Stromvorzeichenerkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.3 Berechnung der Verlustleistungen für den eingeschalteten Zustand des SiC- Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.4 Messung der Treiberverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5 Charakterisierung des SiC-Bipolartransistors 5.1 Messaufbau für Untersuchung des Ein- und Ausschaltverhaltens . . . . . . . . 55 5.2 Doppelpulsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3 Definition der Schaltzeiten und Schaltverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . 57 5.4 Messung der Schaltwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.1 Spannungstastköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.4.2 Stromsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.4.3 Zeitliche Verschiebung der Messsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.4.4 Vergleich von konventionellem und 3-Level-Treiber . . . . . . . . . . . 65 5.4.5 Vergleich bei unterschiedlicher Treiberspannung . . . . . . . . . . . . 66 5.4.6 Vergleich bei halb und voll bestückter Halbbrücke . . . . . . . . . . . . 68 5.4.7 Vergleich von SiC-Bipolartransistor mit SiC-MOSFET und Si-IGBT . . 69 5.4.8 Reduzierung der Spannungsspitze beim Ausschalten . . . . . . . . . . 74 5.5 Simulation des Schaltverhaltens eines SiC-Bipolartransistors . . . . . . . . . . 79 5.5.1 Schaltverhalten bei Ansteuerung mit unipolarem Treiber . . . . . . . . 79 5.5.2 Simulation des Einfluss der Emitter-Induktivität auf Schaltwärme . . . 81 5.5.3 Vergleich von Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 Durchlassverlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6 Einsatz von SiC-Bipolartransistoren im Wechselrichter 6.1 Aufbau der Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.2 Inbetriebnahme des Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3 Überspannungen an den Motorklemmen der 1 kW-Asynchronmaschine . . . . 91 6.4 Umbau des SiC-Wechselrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.5 Spannungsspitzen in der Ansteuerspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.6 Halbbrückenverluste im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7 Zusammenfassung und Fazit 101 Literaturverzeichnis 104 A Anhang A.1 Netzliste für SiC-Bipolartransistor FSICBH057A120 . . . . . . . . . . . . . . 113 A.2 Leiterplatten für Doppelpuls-Test und SiC-Wechselrichter . . . . . . . . . . . . 114 A.3 Herleitung des Feldverlaufs in der Driftzone des gesperrten pn-Übergangs . . . 116 A.4 Herleitung des Emitterwirkungsgrads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 A.5 Herleitung des spezifischen Widerstands der Driftzone . . . . . . . . . . . . . 121 A.6 Lebenslauf von Henry Barth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.1 Persönliche Angaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 A.6.2 Wissenschaftlicher Werdegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

To summarize this entire thesis, MW-assisted spectroscopy has been proposed as a promising approach to investigate the optical properties of VSi and VV spin defects in 4H- and 6H-SiC. The MW-assisted spectroscopy has enabled to separate the spectrally overlapped contribution of different types of defects. From a PL spectrum containing no overlapping spectral contributions of other defects, the local vibrational mode of all measured VSi and VV in 4H- and 6H-SiC has been found along with the phonon energy and DW factor. The interaction of local vibrational modes with point defects has allowed to understand the spin, optical, mechanical, and thermal properties of these defects. In the investigation of V2 in 4H-SiC, a perfect agreement between the experimental data and theoretical calculation have been obtained. The MW-assisted spectra measured at different resonant frequencies associated with the same defect have been found to reveal the same vibrational mode and DW factor. Furthermore, some new ODMR lines to certain defects have been assigned, which have never been reported before. From the investigation of the V2 VSi in 6H-SiC, it has been found that the temperature does not have a clear influence on the DW factor, but high-fluence electron irradiation has been shown to decrease the DW factor. In the polarization investigation, it has been found that in 6H-SiC, V1 possesses no polarization, V2 shows a strong E||c-axis polarization, while V3 exhibits a strong E⊥c-axis polarization. It has also been demonstrated that the temperature and the orientation of the excitation laser have no influence on the photon polarization. In short, this thesis has demonstrated that MW-assisted spectroscopy is a powerful technique to investigate a large number of spin defects in wide-bandgap semiconducting materials.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Charakterisierung von epitaktischem Graphen auf Siliziumkarbid (0001) mittels Raman-Spektroskopie. Nach der Einführung theoretischer sowie experimenteller Grundlagen werden das Wachstum von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC) behandelt und die untersuchten Materialsysteme vorgestellt. Es wird gezeigt, dass das Raman-Spektrum von epitaktischem Graphen auf SiC (0001) neben den Phononenmoden des Graphens und des Substrats weitere Signale beinhaltet, welche der intrinsischen Grenzflächenschicht, dem Buffer-Layer, zwischen Graphen und SiC zugeordnet werden können. Das Raman-Spektrum dieser Grenzflächenschicht kann als Abbild der phononischen Zustandsdichte interpretiert werden. Fortführend werden verspannungsinduzierte Änderungen der Phononenenergien der G- und 2D-Linie im Raman-Spektrum von Graphen untersucht. Dabei werden starke Variationen des Verspannungszustands beobachtet, welche mit der Topographie der SiC-Oberfläche korreliert werden können und erlauben, Rückschlüsse auf Wachstumsmechanismen zu ziehen. Die Entwicklung einer neuen Messmethode, bei der das Raman-Spektrum von Graphen durch das SiC-Substrat aufgenommen wird, ermöglicht die detektierte Raman-Intensität um über eine Größenordnung zu erhöhen. Damit wird die Raman-spektroskopische Charakterisierung eines Graphen-Feldeffekttransistors mit top gate ermöglicht und ein umfassendes Bild des Einflusses der Ladungsträgerkonzentration und der Verspannung auf die Positionen der G- und 2D-Raman-Linien von quasifreistehendem Graphen auf SiC erarbeitet.