Hochreines Germanium womöglich entscheidend für die Entwicklung der Quanteninformatik

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 bringen. Das Institut für Optische Sensorsysteme entwickelt intelligente Sensoren und Datenverarbeitungssoftware zur Lösung von industriellen, wissenschaftlichen und hoheitlichen Fragestellungen. Im Fokus der Aktivitäten der Einrichtung stehen abbildende optische Systeme, die auf Flugzeugen und Satelliten zum Einsatz kommen. Erkenntnisse aus derartigen Projekten können im Zuge von Technologietransferprojekten in kommerzielle Produkte überführt werden.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Institut für Optische Sensorsysteme

Das Institut für Optische Sensorsysteme definiert die Entwicklung geometrisch und/oder spektral hochauflösender Sensorsysteme im sichtbaren und infraroten Bereich der elektromagnetischen Strahlung sowie die thematische Echtzeitverarbeitung von Bilddaten zu nutzerrelevanten Informationen als strategische Ziele. Der operationelle Einsatz solcher Sensoren verlangt eine weitgehende Autonomie, die ein selbständiges Agieren des Systems einschließt. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung an der Entwicklung von Kleinsatelliten beteiligt. Von ausschlaggebender Bedeutung für die Arbeit der Einrichtung ist die Verfolgung systemischer Ansätze, die alle optischen, mechanischen, elektronischen und informations- technischen Aspekte bei der Entwicklung eines Sensorsystems berücksichtigen. Die Struktur der Einrichtung OS trägt dem Rechnung.

Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ), Berlin

Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin-Adlershof ist ein internationales Kompetenz-Zentrum für Wissenschaft & Technologie sowie Service & Transfer im Bereich kristalliner Materialien. Das F&E-Spektrum reicht dabei von Themen der Grundlagen- und Anwendungsforschung bis hin zu vorindustriellen Forschungsaufgaben. Kristalline Materialien sind technologische Schlüsselkomponenten zur Realisierung von elektronischen und photonischen Lösungen für gesellschaftliche Herausforderungen. Hierzu gehören künstliche Intelligenz (Kommunikation, Sensorik etc.), Energie (erneuerbare Energien, Energiewandlung etc.) und Gesundheit (medizinische Diagnostik, moderne chirurgische Operationsanlagen etc.).

Das IKZ erarbeitet Innovationen in kristallinen Materialien durch eine kombinierte Expertise im Haus, bestehend aus Anlagenbau, numerischer Simulation und Kristallzüchtung zur Erzielung kristalliner Materialien höchster Qualität und mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Die Forschung an Volumenkristallen stellt das Alleinstellungsmerkmal des Hauses dar. Diese Arbeiten werden begleitet durch F&E an Nanostrukturen und dünnen Filmen. Eine starke theoretische und experimentelle Materialforschung ist ein weiterer Vorzug des IKZ. Zusammen mit Partnern aus Instituten mit angegliederten Technologie-Plattformen sowie Industrieunternehmen treibt das Institut künftig auch verstärkt Innovationen durch kristalline Materialien voran. Diese umfassen die zuverlässige Evaluierung und Bewertung innovativer kristalliner Prototypen-Materialien für disruptive Technologieansätze.

Für mehr Informationen zur wirtschaftlichen Entwicklung der Wachstumsbranchen der Region sowie zu Wirtschafts- und Technologieförderung für Unternehmen, Investoren und Wissenschaftseinrichtungen kontaktieren Sie bitte:

Melanie Gartzke I melanie.gartzke(at)airport-region.de

Quellen: IKZ  - PM „Hochreines Germanium könnte die Entwicklung der Quanteninformatik entscheidend voranbringen“ vom 16.01.2023; Cluster Optik und Photonik Berlin Brandenburg https://www.optik-bb.de/, 24.02.2023