Hochreines Germanium könnte die Entwicklung der Quanteninformatik entscheidend voranbringen

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt wollen IKZ, HU und DLR eine technologische Basis für neue Generationen von Einzel-Elektronen-Bauelementen entwickeln

Bild: IKZ

Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), die Humboldt-Universität (HUB) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) schließen sich zusammen, um physikalische Eigenschaften an der Quantengrenze aufzudecken und eine technologische Basis für neue Generationen von Einzel-Elektronen-Bauelementen zu entwickeln.

Unter den künstlich erzeugten Halbleitermaterialien kann aktuell bei Germanium die höchste Reinheit erreicht werden. Das Interesse an den grundlegenden physikalischen Eigenschaften und der Entwicklung neuartiger Anwendungen von kristallinem Ultrahochreinem Germanium (u-HPGe), mit einer Nettoladungsträgerkonzentration deutlich unterhalb des intrinsischen Niveaus (<≈10¹⁰ cm^-3 bei niedrigen Temperaturen), hat in den letzten Jahren stark zugenommen.

Bisher werden dotierte Halbleiter vor allem für elektrofeldgetriebene hochdichte Elektronenbauelemente verwendet, während Einzel-Elektronen-Halbleitertransistoren gewöhnlich nanometergroße Strukturen, wie dotierte Quantendots, berücksichtigen. Andererseits ist eine besonders hohe Reinheit in Verbindung mit einer maßgeschneiderten, sehr niedrigen Dotierung und Kodotierung sehr vielversprechend, um die physikalischen Eigenschaften eines solchen einzigartigen einkristallinen Materials bis zum Ein-Elektronen-Limit eines Dotierstoffs zu untersuchen.

Ist in einem massiven Halbleiter die Dotierstoffkonzentration sehr niedrig, verschwindet die Wechselwirkung mit benachbarten Verunreinigungen bis zu einer echten physikalischen Ein-Elektronen-Grenze. Deren Eigenschaften sind aufgrund des Nichtvorhandenseins eines solchen maßgeschneiderten Material noch nicht erforscht. Die Untersuchung der attraktiven Primäreigenschaften von Kristallen, die mit Akzeptoren unterschiedlicher Valenzen leicht oberhalb ihres Restniveaus kodotiert sind, ist ebenfalls von grundlegendem Interesse.

Diese vielversprechende Forschung wird von der DFG gefördert und in enger Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität und dem DLR-Institut für Optische Sensorsysteme durchgeführt. Die Forschung umfasst auch Kristalle mit ausgewähltem Isotopengehalt durch An- oder Abreicherung von Wirtsgitter- und Verunreinigungsatomen, da die Eigenschaften von isotopenangereicherten Ge-Kristallen bisher nicht vollständig bekannt und kaum untersucht sind.

Ziel ist es, neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Ladungsträgern, die an Verunreinigungszentren gebunden sind, mit dem Wirtsgitter (Elektron-Phonon-Wechselwirkungen), die Wechselwirkung mit lokalen Schwingungsmoden sowie mit verschiedenen Isotopen, sowohl auf dem Wirtsgitter als auch auf den Verunreinigungsstellen, zu gewinnen.

Im Rahmen dieses sehr anspruchsvollen Projekts beabsichtigt das IKZ, solche bisher noch nicht verfügbaren Materialien zu entwickeln und aufzubereiten. HU und DLR werden die optischen Eigenschaften der neuartigen Materialien charakterisieren, um damit, im wahrsten Sinne des Wortes, Licht in die unbekannten Eigenschaften dieser Klasse von Kristallen zu bringen.
 

Weitere Informationen:

Dr. R. Radhakrishnan Sumathi
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung im Forschungsverbund Berlin e.V.
Sektion Halbleiter
Tel. +49 30 6392 3127
E-Mail radhakrishnan.sumathi(at)ikz-berlin.de

Pressemitteilung IKZ vom 16.01.2023