Siliciumbasierte Materialien für Hochtemperaturprozesse –  isotopenreine ²⁸Si-Präkursoren

Isotopenreine Präkursorchemie als Grundlage zukünftiger Quantentechnologien

Zur Herstellung isotopenreiner molekularer Ausgangsstoffe wird intensiv geforscht. Hintergrund ist die weltweit steigende Bedeutung von kernspinfreiem, isotopenangereichertem ²⁸Si für zukünftige Quantentechnologien. Normalerweise enthält das Element Silicium zu 3,1 % das ³⁰Si-Isotop und zu 4,7 % das Isotop ²⁹Si mit einer Kernspinquantenzahl von ½. Dieses magnetische Moment interagiert mit den Qbits, d.h. die Hyperfeinwechselwirkung der ²⁹Si-Kernen erzeugt zeitlich schwankende Magnetfelder und führt zu Dephasierung, spektraler Verbreiterung und verkürzten Kohärenzzeiten. Isotopenreines 28-Silicium ermöglicht aufgrund der Abwesenheit solcher Kernspinmomente die Herstellung hochleistungsfähiger Halbleitermaterialien für Quantencomputer, Quantensensoren und photonische Anwendungen. Die Bereitstellung geeigneter Präkursoren stellt dabei eine wesentliche Voraussetzung für zukünftige Weiterentwicklungen dar.

Im Mittelpunkt der Arbeiten steht die Entwicklung einer Syntheseroute zur Herstellung hochreinen ²⁸Si-Trichlorsilans aus stark isotopenangereichertem elementarem 28-Silicium. Ziel ist die Bereitstellung eines hochreinen molekularen Ausgangsstoffes für nachfolgende Hochtemperatur-Epitaxieprozesse zur Herstellung isotopenreiner bzw. isotopenangereicherter Siliciumcarbid-Halbleiterschichten. Neben einer möglichst hohen chemischen Reinheit steht insbesondere der Erhalt der Isotopenreinheit während sämtlicher Syntheseschritte im Fokus der Arbeiten. Hierdurch wird eine wichtige Grundlage und Materialplattform zum Aufbau zukünftiger Wertschöpfungsketten für Quantenanwendungen und darauf basierenden modernen Halbleitertechnologien geleistet.

Die zukünftige Forschung am ZeHS konzentriert sich auf die Weiterentwicklung molekularer Präkursoren für energieeffiziente Hochtemperaturprozesse. Die  Arbeiten zur Synthese isotopenreiner Ausgangsstoffe werden ausgebaut, um robuste und skalierbare Verfahren für die Bereitstellung hochreiner Präkursoren für zukünftige Halbleiter- und Quantentechnologien zu etablieren.