Die Gruppe erforscht innovative Integrationskonzepte für grundlegende Halbleitermaterialien der Gruppe IV (Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Zinn und deren Legierungen) für die Silizium-Technologieplattform. Die intrinsischen Materialeigenschaften können genutzt werden, um die Leistungsfähigkeit von Bauelementen zu verbessern und zusätzliche Funktionalitäten, die auf Quanteneffekten basieren, für Anwendungen in der Optoelektronik und im Quantenoptisch zu ermöglichen.
Um das erforderliche tiefgehende Verständnis zu erlangen für eine umfassende Kontrolle der Eigenschaften dieser Materialsysteme und ihrer möglichen Integration, verbindet unsere Gruppe synergistisch Kompetenzen der innovativen Bauelemententwicklung, moderner Charakterisierungsmethoden und der theoretischen Modellierung.
Forschungsrelevanz und Anwendungsbereiche
Niederdimensionale Quantenmaterialien der Gruppe IV wie 2D-Quantentöpfe, 1D-Quantendrähte oder 0D-Quantenpunkte bieten erhebliches Potenzial für Quantencomputing, skalierbare Nanoelektronik, Photonik und Quantensensorik.
Si- und Ge-Quantentöpfe zählen zu den vielversprechendsten Plattformen für CMOS-kompatible Quantenbit-Bauelemente (Qubits). Sie könnten hochskalierbare Quantenprozessoreinheiten ermöglichen, um langfristig einen Quantenvorteil für innovative Anwendungen in Kryptografie, Datenverarbeitung und Quantensimulationen zu erschließen.
Legierungen mit Sn sind insbesondere für optoelektronische Bauelemente attraktiv, die vom Infrarot- bis in den Terahertz-Bereich arbeiten. Zu den wichtigsten Anwendungen zählen optische Verbindungen für die Kommunikation, Umweltbeobachtung und LiDAR-Systeme.
Zentrale Forschungsziele
- Entwicklung von Integrationsprozessen und innovativen Bauelementen für Quantencomputing und Optoelektronik in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Technology.
- Epitaxie von Heterostrukturen der Gruppe IV mittels CVD in einer CMOS-kompatiblen Reinraumumgebung sowie mittels MBE für explorative Forschung.
- Materialuntersuchungen mit einem umfassenden Spektrum modernster Methoden zur Bestimmung intrinsischer struktureller Eigenschaften und zur Korrelation dieser Eigenschaften mit anwendungsorientierter optischer und elektrischer Charakterisierung.
- Anwendung und Weiterentwicklung synchrotronstrahlungsbasierter Methoden für eine umfassende und tiefgehende Materialcharakterisierung.
Forschungsbereiche
Die Arbeitsgruppe Semiconductor Quantum Materials aus der Abteilung Materialforschung entwickelt gemeinsam mit der Abteilung Technology halbleiterbasierte Qubits in SiGe-Heterostrukturen. Darüber hinaus bündeln das Forschungszentrum Jülich, die RWTH Aachen und das IHP ihre komplementären Kompetenzen im Bereich der Halbleiter- und Quantentechnologie. Im Rahmen eines Joint Labs arbeiten wir in einer unbefristeten Kooperation gemeinsam an der Entwicklung skalierbarer Qubits, die Quantencomputer auf einer Halbleiterplattform ermöglichen sollen.
Das IHP bringt dabei seine Expertise beim Wachstum und bei der Charakterisierung von Heterostrukturen sowie bei der Fertigung von Qubit Komponenten auf Basis von Ge/SiGe- und Si/SiGe Schichten ein. Das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen verfügen zudem im Rahmen des JARA Institute for Quantum Information über ausgewiesene Kompetenzen in der Konzeptionierung, Fertigung, Charakterisierung und dem Betrieb entsprechender Bauelemente.
Darüber hinaus wird das innovative quaternäre Materialsystem CSiGeSn intensiv erforscht, das großes Potenzial für die zukünftige Optoelektronik alleinig auf Basis dieser Gruppe IV Halbleiter bietet. Die flexible Halbleiterlegierung ermöglicht es, die adressierbare Wellenlänge durch Anpassung der Sn-Konzentration und der Verspanung präzise einzustellen. Das Wachstum qualitativ geeigneter CSiGeSn-Schichtsysteme auf Silizium stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Daher wollen wir die Prozesse der Molekularstrahlepitaxie für die explorative Herstellung von Proben weiterentwickeln.
In den Laboren der Abteilung Materialforschung werden die strukturellen, chemischen und optischen Eigenschaften von verspanntem CSiGeSn in einem Multiskalenansatz untersucht – von der atomaren bis zur Mikrometerskala. Darüber hinaus untersuchen wir, ebenfalls in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, das auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse „Proof-of-Concept“-Bauelemente herstellt, die strukturellen und optischen Materialeigenschaften die GeSn-basierten optisch und elektrisch gepumpten Lasern, Photodetektoren und thermoelektrischen On-Chip-Bauelementen zugrunde liegen.
Projekte
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SPINS >> hier klicken <<
Das Hauptziel der „Semiconductor Pilot line for Industrial quantum NanoSystems“ (SPINS) ist die Etablierung der Fabrikation von Halbleiter-Quantenchips mit einem hohen Technology Readiness Level (TRL) und Manufacturing Readiness Level (MRL). Das Konsortium bündelt die Kompetenzen führender europäischer Forschungs- und Technologieorganisationen sowie akademischer Forschungsgruppen mit denen von Start-ups und industriellen Halbleiterherstellern. Mit Kofinanzierung durch das Chips Joint Undertaking (Chips JU) der Europäischen Union sollen im Rahmen eines Lab-to-Fab-Ansatzes Multi-Project-Wafer (MPW) unter Verwendung von Quanten-Process-Design-Kits (PDKs) standardisiert werden.
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GeBaseQ >> hier klicken <<
Dieses Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung einer fortschrittlichen halbleiterbasierten Materialplattform für Quantentechnologien unter Verwendung von Germanium-Quantentöpfen, die in Silizium-Germanium-Heterostrukturen eingebettet sind. Diese Ge/SiGe-Heterostrukturen werden vom IHP auf standardmäßigen 200-mm-Si(100)-Wafern innerhalb der BiCMOS-Pilotlinie entwickelt und gefertigt. Aus dem entwickelten Germaniummaterial werden vom Joint-Lab-Partner des IHP, JARA-IQI, nanoelektronische Bauelemente hergestellt und bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt getestet, um ihre Eignung als Qubits zu untersuchen. Im Projekt werden sowohl spinbasierte als auch supraleitende Qubits erforscht.
https://www.quantensysteme.info/projektatlas/projekte/q/gebaseq
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Gerald >> hier klicken <<
Ziel des Projekts ist es, einen technologischen Baustein für die Infrarotdetektion und -bildgebung auf Basis von GeSn bereitzustellen. Die Demonstratoren konzentrieren sich auf die Infrarotdetektion im Wellenlängenbereich von etwa 2 μm bis 5 μm. Quantentopf-Heterostrukturen sollen genutzt werden, um das Potenzial von Intersubband-Übergängen im THz-Bereich zu untersuchen und um die Beschreibung elektronischer Bandstrukturen weiter zu verfeinern. Vorgesehen sind Anwendungen in der Lab-on-a-Chip-Spektroskopie, Biodetektion, Gas- und Flüssigkeitsdetektion sowie Umweltverschmutzungsüberwachung. Zudem besteht die Möglichkeit, sämtliche photonischen Schaltungen auf Basis von Materialien der Gruppe IV in vernetzte Objekte zu integrieren. Das Konsortium setzt sich aus international renommierten europäischen Expertinnen und Experten für die Entwicklung von GeSn-Materialien auf Silizium (FZ-J, IHT, IHP), den Entwurf und die Prozessierung photonischer Bauelemente sowie die Spektroskopie im mittleren Infrarot- und THz-Bereich (Paris Telecom, Onera, ESPCI) zusammen.
