Reinste Germaniumkristalle für Einzelelektronenbauelemente: Technologie und Forschung

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. R. Radhakrishnan Sumathi
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509113935

Germanium (Ge) ist bewiesenermaßen das reinste Material unter allen Volumen-Halbleitermaterialien. Hochreine Ge-Einkristalle (HPGe) mit einer Nettoladungsträgerkonzentration, die weit unter dem intrinsischen Niveau liegt, haben in den letzten Jahren das Interesse an den physikalischen Grundlagen und an der Anwendung von Ge stark stimuliert. Insbesondere die hohe Reinheit in Verbindung mit gezielt niedrigen Dotierung und Kodotierung ist sehr vielversprechend, um die Eigenschaften eines solchen einzigartigen Eiskristalls bis zum Einzelelektronenlimit eines Dotierstoffs zu untersuchen, und neue physikalische Phänomene an der Quantengrenze aufzudecken.Die Synthese und Verarbeitung von Materialien mit einer solchen hohen Reinheit ist eine große Herausforderung. Dieses Projekt zielt auf die Entwicklung neue Prozesse und Methoden um die erforderliche ultrahohe Reinheit mit einer Ladungsträgerkonzentration < 10^10 cm^-3 zu erreichen. Die Hauptprozesse, nämlich die Zonenreinigung und die Czochralski-Kristallzüchtung, werden verbessert und optimiert, um einen der reinsten Ge-Kristalle der Welt zu erhalten. Die Forschung umfasst auch Kristalle mit ausgewählten angereicherten oder abgereicherten Isotopengehalten. Verschiedene Dotierungsansätze wie die Gasphasendotierung beim Kristallzüchtung, die Diffusions- sowie Neutronentransmutations-dotierung werden untersucht, um die angestrebten Dotierungsniveaus mit extrem niedrigen residuellen Konzentration (10^12–10^13 cm^-3) von Verunreinigungen zu erreichen. Von grundlegendem Interesse ist auch die Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften von Kristallen, die mit Akzeptoren unterschiedlicher Valenzen kodotiert sind, deren Konzentration leicht über ihrem Restniveau liegt. Die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, die behandelt werden können, sind die Wirkungen von Versetzungen, Punktdefektkomplexen, Verunreinigungen und strukturellen Defekten auf der Ladungsträgerdynamik. Konventionelle analytische Methoden werden mit neuen Techniken kombiniert, um die Defekte zu untersuchen und die Verunreinigungen unterhalb des ppt-Niveaus zu quantifizieren.Das wissenschaftliche Ergebnis dieses Vorhabens wird darin bestehen, Kenntnisse über die fundamentalen Eigenschaften hochreiner, sehr leicht dotierter Halbleitermaterialien zu erlangen, während gleichzeitig die national vererbte Technologie für ein solches neuartiges Material etabliert wird. Diese Arbeiten können den Weg für die künftige Forschung und Entwicklung von derartigen Materialien in Forschungsqualität für die Elektronik, Optoelektronik und Quantenkommunikation ebnen. Die Ziele und Aufgaben des Projekts sind inhaltlich stark miteinander verknüpft und erfordern eine enge Zusammenarbeit der Partner, Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) und Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), mit ihren sich ergänzenden Fachkenntnissen in der Kristallzüchtung, Charakterisierung und Erforschung der grundlegenden Eigenschaften dieses neuen, noch nicht verfügbaren Materials.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen