Die Gruppe erforscht innovative Integrationskonzepte elementarer Halbleitermaterialien der Gruppe IV (Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Zinn und ihre Legierungen) in die Silizium-Technologieplattform. Ihre inhärenten Materialeigenschaften können genutzt werden, um die Leistung von Bauteilen zu verbessern und auf Quanteneffekten basierende Funktionen für Anwendungen in der Optoelektronik und im Quantencomputing hinzuzufügen.
Um tiefergehendes Wissen zu erlangen, das zur präzisen Kontrolle der Eigenschaften dieser Materialsysteme und ihrer möglichen Integration erforderlich ist, nutzt unsere Gruppe synergetische Kompetenzen in fortschrittlichen, hochmodernen experimentellen Techniken auf der Nanoskala und theoretische Modellierung.
Forschungsziele
- Entwickelung von Integrationsprozessen und innovativen Bauteilen in enger Zusammenarbeit mit der Technologieabteilung für Quantencomputing und Optoelektronik.
- Heterostrukturepitaxie von Gruppe IV Materialien mittels CVD in einer CMOS-kompatiblen Reinraumumgebung und MBE für explorative Forschung.
- Materialuntersuchung mit einem umfassenden Satz an modernsten Techniken zur Bestimmung inhärenter Struktureigenschaften und deren Korrelation mit anwendungsorientierter optischer und elektrischer Charakterisierung.
- Computergestützte Modellierung (FEM-Simulationen mit COMSOL und Lumerical, tight-binding & effektive mass theory) mechanischer, optischer, elektromagnetischer und elektrischer Eigenschaften.
- Anwendung und Förderung modernster auf Synchrotronstrahlung basierender Techniken für eine ausführliche und detaillierte Materialcharakterisierung.
Forschungsschwerpunkte
Die Arbeitsgruppe Halbleiter-Optoelektronik der Abteilung Materialforschung entwickelt gemeinsam mit der Abteilung Technologie halbleiterbasierte Quantenbits (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. Wir arbeiten in einer zeitlich unbefristeten Kooperation im Rahmen eines Joint Labs gemeinsam an der Entwicklung skalierbarer Qubits, die Quantencomputer auf einer Halbleiterplattform ermöglichen. Das IHP bringt seine Expertise im Wachstum und der Charakterisierung von Heterostrukturen sowie in der Qubit-Herstellung auf Basis von Ge/SiGe- und Si/SiGe-Verbindungen ein. Darüber hinaus verfügen das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen im Rahmen des gemeinsamen JARA-Instituts für Quanteninformation über ausgewiesene Expertise auf dem Gebiet der Bauteilkonzeption, Charakterisierung und Qubit-Demonstration.
Des Weiteren wird das innovative quartäre Materialsystem CSiGeSn intensiv erforscht, das großes Potenzial für zukünftige Gruppe IV Halbleiter-Optoelektronik hat. Die flexible Halbleiterlegierung ermöglicht eine präzise Variation der adressierbaren Wellenlänge durch Anpassung der Sn-Konzentration. Das Wachstum von CSiGeSn-Schichtsystemen entsprechender Qualität auf Silizium ist eine große Herausforderung. Daher wollen wir Molekularstrahlepitaxieverfahren für die explorative Probenherstellung weiterentwickeln. In den Laboren der Abteilung Materialforschung werden die strukturellen, chemischen und optischen Eigenschaften von verspanntem CSiGeSn in einem Multiskalenansatz (von der atomaren bis zur Mikrometerskala) untersucht. Zudem untersuchen wir, ebenfalls in enger Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich, das auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse „Proof-of-Concept“-Komponenten herstellt, strukturelle und optische Materialeigenschaften von GeSn-basierten optisch und elektrisch gepumpten Lasern, Fotodetektoren und thermoelektrischen On-Chip-Geräte.
Im Rahmen des gemeinsam mit der Universität Roma Tre gegründeten International Joint Lab betreiben wir auch unsere Forschung auf dem Gebiet der Ge/Si-basierten Quantenkaskadenstrukturen für Anwendungen in dem Bereich der THz-Optoelektronik. Insbesondere unterstützt unser Team die Forschungsbemühungen durch eine gründliche Charakterisierung der komplexen Heterostrukturen, die an der Roma Tre durch modernste Ultrahochvakuum-CVD abgeschieden werden.
Die Kontrolle der Verspannungs- und Segregationseigenschaften zur Erzeugung komplexer Heterostrukturen zur weiteren Leistungssteigerung des Materials spielt in dieser Arbeitsgruppe eine zentrale Rolle. Daher bestehen langjährige Kooperationen, insbesondere mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Hier werden hochmoderne nanofokussierte Röntgenbeugungs- und Atomspektroskopie-experimente durchgeführt, um diese Struktureigenschaften zu analysieren, zu simulieren und zu verfeinern.
