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

Nachwuchsforschungsgruppe "SiGe-basierte Quantenmaterialien und Heterostrukturen"

Das Zukunftspotenzial der Quantentechnologie und insbesondere des Quantencomputings ist sehr hoch. SiGe Heterostrukturen stellen dabei eine der vielversprechendsten Materialplattformen dar, denn sie verbinden hohe kristalline Perfektion und Reinheit mit potenziell einfacher Skalierbarkeit und bieten die  Möglichkeit zur Schaffung einer spinneutralen Umgebung für Quantenpunkte durch Isotopenanreicherung.

Das IKZ hat es sich zur Aufgabe gemacht, seine Kompetenzen in der Verarbeitung von isotopenangereicherten Halbleitermaterialien wie 28Si, 72Ge, und 76Ge zu bündeln und damit hochwertige Quantenmaterialien zur Verfügung zu stellen.

Die Forschung unserer Gruppe konzentriert sich auf das Wachstum von SiGe-basierten Heterostrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und deren Charakterisierung für die Anwendungen im Bereich der Quantentechnologie. Unser Fokus liegt auf kernspinfreien SiGe/Si/SiGe und SiGe/Ge/SiGe Heterostrukturen für Spin-Qubits, sowie Si/SiO2 Strukturen (Silicon on Insulator, SOI) für optische Quantenemitter. Von besonderer wissenschaftlicher Bedeutung hierbei ist das Erzielen möglichst atomar glatter Grenzflächen, die Realisierung niedriger Versetzungsdichten, sowie die Vermeidung chemischer Kontaminationen.

Diese Arbeit wird vom Leibniz-Verbundforschungsprojekt SiGeQuant gefördert und erfolgt in Zusammenarbeit mit unseren Partnerinstituten IHP (Frankfurt/Oder),  IQI und ITH (RWTH Aachen), dem MPQ (Garching), sowie russischen Partnern vom IPM RAS und der Universität Nizhny.

Kontakt
Dr. Kevin-Peter Gradwohl

Dr. Kevin-Peter Gradwohl

Tel. +49 30 6392 3021

Lokal definiertes Wachstum und Strukturbildung halbleitender Materialien

Durch die Miniaturisierung technischer Bauteile in der modernen Halbleitertechnik, nehmen Mikro- und insb. Nanostrukturen eine Schlüsselstellung ein. Industriell werden diese Strukturen derzeit mit aufwändigen Top-down-Methoden, wie der Photolithographie, hergestellt. Das Ziel der Forschungsgruppe sind Entwicklung und theoretische Beschreibung alternativer Bottom-up-Möglichkeiten, um gezielt nur das benötigte Material zu züchten. So sollen Rohstoffe, Zeit und technischer Aufwand eingespart werden.

Gegenstand der Forschung ist die lokale Kontrolle von Keimbildung und Materialinstabilitäten, bspw. Entnetzungsphänomenen, durch mechanische, thermische oder laserinduzierte Oberflächen- und Grenzflächenmodifikationen. Auf diese Weise wird das Wachstum von Mikro- und Nanostrukturen gezielt gesteuert und untersucht. Neben innovativen Herstellungsverfahren bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, grundlegende Strukturbildungsmechanismen zu beobachten und in einen theoretischen Kontext zu stellen.

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

Kontakt
Owen Ernst

Owen Ernst

Tel. +49 30 6392 2847

2D van der Waals Materialien und Layer Transfer

Mit Layer-Transfer hat sich ein neues Paradigma für den Bau von kristallinen Materialien etabliert. Damit können neuartige Heterostrukturen hergestellt werden, die nicht mit herkömmlichen Methoden möglich sind wegen Unvereinbarkeit der Wachstumsbedingungen, z.B. unterschiedliche Gitterparameter oder Symmetrien. Wir streben einen flexiblen Ansatz an, der kompatibel zu Anforderungen der Grundlagenforschung als auch von Anwendungen ist, und suchen Synergien mit akademischen und industriellen Partnern.

Zurzeit bauen wir eine Layer-Transferstation für HV-Bedingungen auf mit der Zielsetzung eines vollständig ferngesteuerten Transferprozesses. Wir werden mit exfolierten 2D-Kristallen sowie epitaktischen Filmen mit bis zu 2“ Durchmesser arbeiten. Für die Grundlagenforschung sind emergente Phasen in stark wechselwirkenden elektronischen Systemen besonders interessant. Für Anwendungen können in einem Hybrid-Ansatz die besten Materialien für optimale Performance kombiniert werden.

Hao Chen, Pinjia Zhou, Jiawei Liu, Jiabin Qiao, Barbaros Oezyilmaz, Jens Martin
Gate controlled valley polarizer in bilayer graphene
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-020-15117-y

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Dr. Jens Martin

Dr. Jens Martin

Tel. +49 30 6392 2857