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News | 29-10-2020

Neue Materialien - neue Kristallzüchtungsanlage

Hochreine monoisotopische Silizium/Silizium-Germanium (Si/SiGe)-Schichtstapel sind vielversprechende Kandidaten für halbleiterbasierte Quantencomputerprozessoren. Das vom IKZ initiierte Leibniz-Wettbewerbsprojekt "SiGeQuant" stellt eine Verbindung von der Substratpräparation über das epitaktische Schichtwachstum bis hin zu Forschungseinrichtungen her, die Quantenbit (Qubit)-Strukturen aufbauen.

Aufbau des ²⁸Si-Clusters

Die Sektion "Halbleiter-Nanostrukturen" des IKZ konzentriert sich auf die Aufgabe, dünne verspannte monoisotopische Si-Schichten zu realisieren. Die Verspannung wird durch Einbettung des 28Si-Dünnfilms in Si0.7Ge0.3-Schichten erzeugt, die eine größere Gitterkonstante aufweisen. Das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) erfolgt auf SRB-Wafern (strain relaxed buffer), bei denen eine dicke SiGe-Schicht mit entsprechendem Ge-Gehalt auf einem Si(001)-Wafer mittels Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet wird, wobei zu vermeiden ist, dass strukturelle Defekte an der Oberfläche eine kritische Dichte überschreiten.

Die Materialien, die für die MBE-gewachsene 28Si-Schicht verwendet werden, müssen besondere Bedingungen für Qubits erfüllen: ein hoher Gehalt an monoisotopischem Si und Ge mit gerader Massenzahl zur Vermeidung von kernmagnetischem Rauschen und ein sehr geringer Gehalt an Verunreinigungen zur Verhinderung von elektrischen und strukturellen Störungen. Beide Anforderungen sind für stabile Spinzustände der einzelnen Elektronen der Qubits notwendig.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde bereits in der konzeptionellen Phase des Projekts "SiGeQuant" die Verwendung einer neuen, sehr sauberen MBE-Anlage festgelegt, in der ausschließlich die isotopenangereicherten Materialien verwendet werden. Das neue MBE-System wird derzeit in Zusammenarbeit mit der Dr. Eberl MBE-Komponenten GmbH entwickelt und gefertigt. Die langjährige Kompetenz der Firma bei der Konfiguration von MBE-Komponenten für Si-Schichten im Allgemeinen und dünne Filme für Transistoren mit hoher Elektronenmobilität mit ähnlich hohen Anforderungen an die Verunreinigung im Besonderen ist sehr hilfreich. Die Abbildung zeigt den Aufbau des 28Si-Clusters. Der gitterangepasste Wafer wird über eine Ladeschleuse in eine Transporteinrichtung eingelegt. Diese kann unter Ultrahochvakuumbedingungen (UHV) zur Präparationskammer, die zum Ausgasen des Wafers dient, und zur MBE-Kammer bewegt werden. Dort ist ein Ultrahochvakuum (UHV) im unteren Bereich von 10-11 mbar (auch XUHV genannt) geplant. Sowohl die Flüssigstickstoffkühlung der Kammerwand durch ein Kühlschild als auch die mit flüssigem Helium betriebene Kryopumpe tragen zur Realisierung von XUHV bei. Das High-End-Quadrupol-Massenspektrometer mit einem QMA 400-Analysator ermöglicht die sehr schnelle Erfassung von Partialdrücken im Bereich von 10-15 mbar bis zu einer Massenzahl von 512. Damit können extrem kleine Verunreinigungsquellen während des MBE-Prozesses nachgewiesen werden.

Das monoisotopische Material für die Si- und Ge-Verdampfer wird von unseren russischen Kooperationspartnern und Kollegen der IKZ-Sektion "Halbleiter" zur Verfügung gestellt.

 

Ansprechpartner: Yujia Liu, Thomas Teubner und Torsten Boeck