Sektion Halbleiternanostrukturen

Sektion Halbleiternanostrukturen

Mission

Kristalline Bauteile sind entscheidende Bestandteile neuartiger Technologien. Da diese Technologien zunehmend kleiner werden, ist es entscheidend, dass die Dimension der kristallinen Strukturen abnehmen und dass die Kristallite räumlich sehr kontrolliert auf den Substraten gebildet werden. Aus diesem Grund ist es Aufgabe der Sektion Halbleiternanostrukturen das Wachstum und die lokale Kontrolle von Nano- und Mikrokristalliten zu untersuchen und neue Methoden für deren Anwendung zu entwickeln.

Forschungsaktivitäten

Die Themen der Sektion beschäftigen sich mit niedrigdimensionalen Wachstumsverwahren für neuartige Technologiekonzepte. Diese reichen von Nanodrahtwachstum für neuartige Feldeffekttransistoren, über Mikroinsel-Generierung und Dünnschicht-Abscheidung aus Lösung für neuartige Solarkonzepte bis hin zu Darstellung von ultradünnem und verspanntem Schichten für Quantencomputer. Nicht allein die Technologieentwicklung und Charakterisierung, sondern auch Konzeptionierung und Realisierung neuartiger Anlagen und Modellentwicklung stehen hierbei im Fokus. Im Rahmen eines Leibniz-geförderten Projekts wird aktuell eine MBE für die Abscheidung ultrareiner 28Si-Schichten entwickelt und im Zuge eines BMWi-Verbundvorhabens eine CVD-Anlage für laserunterstützte lokale Keimbildungsprozesse.

Themen

Wachstum von Si auf Glas für kostengünstige Solarzellen

In einem einzigartigen, am IKZ entwickelten Verfahren wird kristallines Silizium aus Zinnlösung auf verschiedenen Substraten gezüchtet. Der kontinuierliche Prozess ermöglicht die Abscheidung auf Glas, was die Herstellung kostengünstiger und großflächiger Absorber für die Photovoltaik ermöglicht. Aufgrund der Epitaxie aus Zinn nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht hat das Material eine hohe Kristallitqualität und damit vielversprechende elektrische Eigenschaften. Der Einsatz von Silizium und der geringe Energieverbrauch ermöglichen dabei ein ökologisches und wirtschaftliches Verfahren.

In Kooperation mit dem PVcomB wird deren Know-how zu Silizium-Dünnschichtsolarzellen genutzt, um Zellen aus am IKZ gezüchteten Schichten aufzubauen. Dabei wird nicht nur auf Silizium auf Glas, sondern auch auf alternativen Substraten wie IMEC Epifoils® und auf monokristallines Silizium zugegriffen. Zusätzlich wird die materialwissenschaftliche High-Tech-Ausrüstung des IKZ wie Raman-Spektroskopie, in situ TEM und XRD zur weiteren Verbesserung der Schichten eingesetzt.

Christian Ehlers, Stefan Kayser, David Uebel, Roman Bansen, Toni Markurt, Thomas Teubner, Karsten Hinrichs, Owen Ernst, Torsten Boeck
In situ removal of a native oxide layer from an amorphous silicon surface with a UV laser for subsequent layer growth
CrystEngComm (2018)
DOI: 10.1039/C8CE01170B

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David Uebel

Tel. +49 30 6392 3238

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Lokal definierte und lasergenerierte Keimbildung

Top-down-Methoden wie Masken- oder Lithographietechniken sind industriell allgegenwärtige Prozesse, die an schlechter Volumenskalierbarkeit sowie einem erhöhten Zeit- und Materialaufwand leiden. Aus diesem Grund ist es Gegenstand der Themengruppe, alternative Bottom-up-Möglichkeiten zur lokalen Strukturbildung zu entwickeln und theoretisch zu beschreiben. Hierbei spielen Entnetzungsprozesse zur Nanopartikelsynthese und laserinduzierte Keimbildung eine hervorzuhebende Rolle.

Ziel der Forschung ist die Herstellung von Verbundhalbleiter-Mikroinseln zum Beispiel aus Cu(In,Ga)Se2 für Solarzellen, bei denen 99% des Materials gegenüber herkömmlichen Methoden eingespart werden kann. Hierfür werden neue Keimbildungsmodelle erstellt und in die Praxis umgesetzt: etwa lokale Änderung von Oberflächenmorphologien sowie lasergestützte Thermolyse von Metall-Präkursoren.

Dies ist Teil eines Verbundprojekts mit BesTec GmbH, BAM sowie der Uni-DUE, gefördert durch das BMWi.

Owen Ernst, Felix Lange, Thomas Teubner, Torsten Boeck
Analysis of catalyst surface wetting: the early stage of epitaxial germanium nanowire growth
Beilstein Journal of Nanotechnology 11 (2020) 1371–1380
DOI: 10.3762/bjnano.11.121

Franziska Ringleb, Stefan Andree, Berit Heidmann, Jörn Bonse, Katharina Eylers, Owen Ernst, Torsten Boeck, Martina Schmid, Jörg Krüger
Femtosecond laser-assisted fabrication of chalcopyrite micro-concentrator photovoltaics
Beilstein Journal of Nanotechnology 9 (2018) 3025-3038
DOI: 10.3762/bjnano.9.281

Torsten Boeck, Roman Bansen, Franziska Ringleb
Growth of crystalline semiconductor films and micro structures for photovoltaic applications
Crystal Research and Technology 52 (2017) 1600239
DOI: 10.1002/crat.201600239

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Owen Ernst

Tel. +49 30 6392 2847

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Wachstum von Si/Ge Nanostrukturen

Aufgrund deren geringen Durchmessers und der potentiell hohen kristallinen Qualität sind Nanodrähte sehr interessant für zukünftige Anwendungsbereiche, wie zum Beispiel für Thermoelektrika, Sensoren und Feldeffekttransistoren. Mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) wird im Ultrahochvakuum das gezielt selektive Wachstumsverhaltens von SixGe1-x Nanodrähten untersucht. Hierzu beschäftigen wir uns intensiv mit verschiedenen Aspekten der Epitaxie, wie der thermodynamischen Phasenbildung, Keimbildung- und mit Oberflächendiffusionsprozessen.

Mit der „vapor-liquid-solid“ (VLS) Methode werden Nanodrähte unter Verwendung eines Gold-Nanokatalysators gezüchtet. Dafür werden Goldtropfen auf verschiedenen kristallinen Substraten gebildet, an denen anschließend das Nanodrahtwachstum durch Abscheiden von Si/Ge Material realisiert wird. Im Fokus stehen Einlagerung von Ge in SixGe1-x Nanodrähten aus der Ebene heraus, sowie das lokale Züchten von Ge Nanodrähten entlang der Substratoberfläche.

Felix Lange, Owen Ernst, Thomas Teubner, Carsten Richter, Martin Schmidbauer, Oliver Skibitzki, Thomas Schroeder, Peer Schmidt, Torsten Boeck
In-plane growth of germanium nanowires on nanostructured Si(001)/SiO2 substrates
Nano Futures 4 (2020) 035006
DOI: 10.1088/2399-1984/ab82a0

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Felix Lange

Tel. +49 30 6392 2852

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Hochauflösende kristalline Silizium-Germanium-Strukturen für Quantenschaltungen

Quantenschaltungen, welche auf isotopenreinen 28Si -Schichten basieren, könnten zukünftig die am besten skalierbare Methode für die technische Umsetzung von Quantencomputern darstellen. Um Qubits zu realisieren, wird die Quantenbeschränkung dabei in gespanntem Si innerhalb von Si-Ge-Heterostrukturen durchgeführt. Das Projekt kombiniert die Expertise des IKZ in der Molekularstrahlepitaxie (MBE) und der Handhabung von isotopenreinem 28Si, um eine hochreine sowie fehlerarme und atomar flach gespannte 28Si -Schicht herzustellen.

Um eine hochqualitative gespannte Si-Schicht zu erzielen, schlagen wir folgende zwei Strategien vor: Die erste Strategie besteht darin, die Si-Zusammensetzung in der oberen und unteren Schicht der SiGe/Si/SiGe-Heterostruktur zu steuern. Bei der zweiten Strategie sorgt eine SiGe-Übergitterstruktur dafür, dass Clusterbildungen von Legierungen vermieden werden können und sich währenddessen eine Spannung des Siliziums ergeben kann. Beide Ansätze zielen darauf ab, die Grenzfläche des gespannten Si zu steuern, da die einatomige “Terasse“ die Spin-Kohärenz durch ihre Wirkung auf die Talaufspaltung beeinflussen.

Diese Arbeit wird vom Leibniz-Verbundforschungsprojekt gefördert und geschieht in Zusammenarbeit mit den Partnerinstituten IHP (Frankfurt / Oder) und der Rhein-Westfählischen Technischen Hochschule (RWTH Aachen).

Kontakt

Yujia Liu

Tel. +49 30 6392 3055

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