title: Non-linear finite element simulations of nanoindentation in Gallium Nitride considering fracture mechanics and plasticity
Creators: name: Unger, Valentin Johannes
Publisher: name: TU Wien
Year: 2018
Subjects: subject: Nichtlineare Finite Elemente Simulation
subject: Plastizitätstheorie
subject: Eindruckbruchmechanik
subject: Gallium-Nitrid
subject: nonlinear Finite Element simulation
subject: theory of plasticity
subject: indentation fracture mechanics
subject: Gallium-Nitride

description: Moderne Leistungshalbleitermaterialien müssen in der Lage sein große Leistungsdichten zu ertragen, obwohl die Bauelemente kontinuierlich verkleinert werden, um den Ansprüchen der Industrie gerecht zu werden. Um das mechanische Verhalten sowie die Anwendungsgrenzen dieser spröden, geschichteten Materialien während einer instrumentierten Eindringprüfung zu untersuchen, wird die Finite Elemente Methode in Verbindung mit einem Kohäsivzonenmodell und der anisotropen Hill Plastizität angewendet. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Galliumnitrid (GaN) auf Silizium (Si) Schichten, die mit einem Berkovich Indenter geprüft werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es ein nicht lineares Nanoindentierungs Finite Elemente Modell zu entwickeln, das Rissentwicklung und Rissausbreitung in diesen Schichten vorhersagt. Oft herrschen in den Lagen erhebliche Eigenspannungen, die während der Herstellung entstehen können. Das erstellte numerische Modell ist in der Lage die Dissipation aufgrund von plastischer Verformung, als auch aufgrund von Bruch abzubilden. Die berechneten Last-Eindring-Kurven zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten der KAI GmbH, Villach. Die Simulationsergebnisse zeigen auftretende Quarter-Penny Risse in GaN und Si, die stark von der Eindringtiefe und den Restspannungen abhängen. Verschiedene Einflüsse auf das mechanische und vor allem auf das Bruchverhalten werden untersucht. Die Eigenspannungen haben eine große Auswirkung auf das Bruchverhalten in GaN. Zugspannungen führen zu einer teilweise instabilen Rissausbreitung. Druckspannungen vermindern die Ausbreitung des Risses. Das nicht lineare Modell gibt die Möglichkeit zur Untersuchung von vielen Schichtaufbauten in kurzer Zeit und ermöglicht die Untersuchung der Spannungen und Risse unter der Oberfläche.
description: Modern power semiconductor materials need to withstand high power densities, while devices are getting downsized to meet the industrial demands. In order to study the mechanical behaviour and the limitations of these brittle layered electronics materials, often nanoindentation experiments are conducted. For the purpose of supporting the instrumented indentation testing, the Finite Element Method in combination with a cohesive zone model and anisotropic Hill's plasticity is applied. Special focus is laid on Gallium Nitride (GaN) on Silicon (Si) stacks penetrated by a Berkovich indenter tip. The main goal of this thesis is to establish a non-linear nanoindentation Finite Element model to predict crack emergence and propagation in the layers including various residual stress states, that possibly arise during the wafer fabrication. The developed numerical model is able to predict both, the energy dissipation due to plastic deformation as well as material fracture. The numerically predicted load-penetration curves show a good compliance with the experimental data, obtained by the KAI GmbH, Villach. The simulation results predict quarter-penny cracks in GaN and Si, depending on the indentation depth and residual stress state. Various influences on the mechanical behaviour, and especially the fracture behaviour are studied. Residual stresses are found to show a strong effect on the fracture behaviour of GaN. Tensile stresses lead to a temporarily unstable crack growth, whereas compressive stresses tend to mitigate the crack propagation. The non-linear simulations give the possibility to investigate different stack designs in rather short time and yield information about the stress state and sub-surface cracks during the indentation process.