Sektion Halbleiternanostrukturen

Sektion Halbleiternanostrukturen

Mission

In unserem Bereich entwickeln wir Materialien und Methoden für innovative Halbleiter-Nanostrukturen für zukünftige Technologien. Kristalline Dünnschichten sind wichtige Bestandteile moderner elektronischer und optoelektronischer Geräte und Treiber von Innovationen.

Mit neu aufkommenden Anwendungen wie der Quanten-Computer ergeben sich auch neue Herausforderungen bei der Dünnschichtverarbeitung um gestiegenen Anforderungen an die Materialqualität gerecht zu werden, beispielsweise bei der Isotopenreinigung oder des “Strain Engineering“. Ergänzend dazu verspricht die neuartige Dünnschichttechnik „Layertransfer“ einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie wir funktionale Grenzflächen und Heterostrukturen und letztlich künstliche kristalline Strukturen erzeugen können: „2D goes 3D“.

Forschungsaktivitäten

Wir nutzen eine Reihe unterschiedlicher Wachstumsprinzipien und -konzepte, darunter Molekularstrahlepitaxie (MBE) und chemische Gasphasenabscheidung (CVD), um die Keimbildung und das laterale Wachstum zu steuern, homo- oder heterogene Grenzflächen zu bilden und Defektbildung zu unterdrücken oder gezielt auszulösen. Wir nutzen dafür speziell entwickelte Anlagen wie ein MBE-System für die Abscheidung von hochreinen 28Si-Schichten und 76Ge, ein CVD-System mit lasergestützter lokaler Keimbildung, sowie bestimmte Öfen für das Wachstum von 2D-van-der-Waals-Materialien.

Eine Hochvakuum-Layertransferstation ermöglicht das Stapeln dünner kristalliner Filme auf kundenspezifischen Zielsubstraten. Ein besonderer Forschungsschwerpunkt liegt in der Entwicklung von „Quantenmaterialien“ für elektronische Spin-Qubits oder Einzelphotonenquellen.

Themen

Nachwuchsforschungsgruppe "SiGe-basierte Quantenmaterialien und Heterostrukturen"

Mission

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 spin-neutralen 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.

Forschungsaktivitäten

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.

Schlüsselpublikationen

Liu, Y., Gradwohl, K.P., Lu, C.H., Dadzis, K., Yamamoto, Y., Becker, L., Storck, P., Remmele, T., Boeck, T., Richter, C. and Albrecht, M., 2023.
Strain relaxation from annealing of SiGe heterostructures for qubits. 
Journal of Applied Physics, 134(3).
DOI: 10.1063/5.0155448

Liu, Yujia, Kevin-Peter Gradwohl, Chen-HSun Lu, Yuji Yamamoto, Thilo Remmele, Cedric Corley-Wiciak, Thomas Teubner, Carsten Richter, Martin Albrecht, and Torsten Boeck.
Growth of 28Si Quantum Well Layers for Qubits by a Hybrid MBE/CVD Technique.
ECS Journal of Solid State Science and Technology 12, no. 2 (2023): 024006.
DOI:10.1149/2162-8777/acb734

Gradwohl, Kevin-P., Chen-Hsun Lu, Yujia Liu, Carsten Richter, Torsten Boeck, Jens Martin, and Martin Albrecht.
Strain relaxation of Si/SiGe heterostructures by a geometric Monte Carlo approach.
physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters 17, no. 6 (2023): 2200398.
DOI: 10.1002/pssr.202200398

Dünnschichtwachstum mittels Molekularstrahlepitaxie am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung

Dr. Kevin-Peter Gradwohl

Dr. Kevin-Peter Gradwohl

Tel. +49 30 246 499 306

2D van der Waals Materialien und Layer Transfer

Mission

Ein neues Paradigma für den Aufbau kristalliner Materialien wird durch Layertransfer etabliert, eine Methode zum Aufbau neuartiger funktioneller kristalliner Heterostrukturen, die aufgrund von Inkompatibilitäten von Gitterparametern, Symmetrie usw. nicht mit herkömmlichen epitaktischen Methoden gezüchtet werden können. Wir streben einen umfassenden und flexiblen technischen Ansatz an, um die Umsetzung verschiedener Anforderungen in der Grundlagen- und angewandten Forschung zu erleichtern und suchen nach Synergien mit lokalen akademischen und industriellen Partnern.

Forschungsaktivitäten

Unser Ziel ist das epitaktische Wachstum von 2D-van-der-Waals-Materialien im Wafermaßstab (bis zu 2 Zoll) und kombiniert dabei die Vorteile verschiedener Dünnschichtwachstumstechniken. Mit einer Layertransferstation, die unter Hochvakuumbedingungen ferngesteuert werden kann, können die epitaktischen Filme und aus 2D-Kristallen exfolierten Monolagen in einer präzise kontrollierten Stapelsequenz auf die gewünschten Zielwafer übertragen werden.

In der Grundlagenforschung liegt ein besonderes Interesse an emergenten Phasen wie stark korrelierter elektronischer Materie in 2D-Heterostrukturen, auch sind zuverlässige Einzelphotonenemitter für Quantenanwendungen stark gefragt. In der angewandten Forschung können Hochleistungssysteme durch die Kombination der besten Materialien für die beste Funktion in einem hybriden Ansatz realisiert werden.

Schlüsselpublikationen

Rongbin Wang, Martin Schmidbauer, Norbert Koch, Jens Martin, and Sergey Sadofev.
Y‐Stabilized ZrO2 as a Promising Wafer Material for the Epitaxial Growth of Transition Metal Dichalcogenides.
physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters 18, no. 1 (2024): 2300141.
DOI: 10.1002/pssr.202300141

Rongbin Wang, Norbert Koch, Jens Martin, and Sergey Sadofev.
Recrystallization of MBE‐Grown MoS2 Monolayers Induced by Annealing in a Chemical Vapor Deposition Furnace.
physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters 17, no. 5 (2023): 2200476.
DOI: 10.1002/pssr.202200476

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

Kraftmikroskopie-Topographie (AFM) von epitaktischem 2D-WS2 auf Saphir

Dr. Jens Martin

Dr. Jens Martin

Tel. +49 30 246 499 301