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.

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.

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.