Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Epitaxie und Prozessierung von NV-Diamant

Hochreiner synthetischer Diamant

Materialherstellung und -optimierung

Das Fraunhofer IAF bietet maßgeschneiderte synthetische Diamanten für verschiedene Anwendungen in den Quantentechnologien und anderen Bereichen an. 

Die hochreinen Einkristall- und polykristallinen Diamantsubstrate sowie Dünnschichten werden am Institut mittels Chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) homoepitaktisch und heteroepitaktisch gewachsen, und speziell auf Quantenbauelemente, elektronische oder photonische Bauelemente zugeschnitten.

Als Quantenbauelement werden gezielt Fehlstellen eingebracht (auch Farbzentren genannt), die sich quantenphysikalische Eigenschaften nutzbar machen. Am häufigsten werden Stickstoff-Vakanzen-(NV-)Zentren genutzt.

Anwendungsfelder

  • Quantensensorik – Erzeugung von Mikrostrukturen mit NV-Zentren als Sensoren im atomaren Maßstab für Anwendungen in der: Materialcharakterisierung, Mikro- und Nanoelektronik, Biomedizin, Navigation, …
  • Quantencomputing – Erzeugung und Verschränkung einzelner NV-Zentren und/oder ihrer Nachbaratome für die Herstellung von Festkörper-Quantenprozessoren 
  • Mikro- und Nanoelektronik-Bauelemente
  • Photonische Bauelemente

Vorteile von Diamant für Quantentechnologien

Gezielte Materialdefekte in Form von sogennanten Farbzentren im synthetischen Diamant erlauben es, Komponenten für Quantentechnologien bis hin zu einzelnen Quantenbits (Qubits) herzustellen. Aufgrund der sehr starren Struktur von Diamanten können die Quanteneffekte der im Kristall enthaltenen Farbzentren auch bei Raumtemperatur beobachtet und genutzt werden. Das bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber vergleichbarer Quantentechnologien. Beispielsweise können supraleitenden Schaltkreisen, wie sie als Qubits in modernsten Quantencomputern genutzt werden, nur unter kryogenen Bedingungen betrieben werden. Diamantbasierte Systeme hingegen können selbst in unmittelbarer Nähe zu weiterer Elektronik in hybriden Systemen genutzt werden und haben weniger Anforderungen an die Infrastruktur und geringere Betriebskosten. 

Sechs quadratische Diamantplättchen liegen im Halbkreis um einen Metallzylinder.
© Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer IAF besitzt langjährige Expertise in der Herstellung von synthetischem Diamant und erzeugt sowohl sehr reine Volumenkristalle als auch Kristallschichten hoher struktureller Qualität.

Materialeigenschaften

  • Brechungsindex: 2,4
  • Optisches Fenster: 300 nm bis 2,5 µm und 7 bis > 100 µm
  • Dichte: 3,51 g/cm3
  • Thermische Leitfähigkeit: 2.600 W/mK
  • Härte: 10.000 HV

 

PE-CVD-Homoepitaxie

  • N-Dotierung und Vakanz-Erzeugung
  • Orientierung und Lichtauskopplung
Hand im Handschuh hält einen Diamantwafer
© Fraunhofer IAF
Um die einzigartigen Materialeigenschaften von Diamant auch industriell nutzbar zu machen, werden am Fraunhofer IAF hochwertige Diamantsubstrate im Wafermaßstab für den Einsatz in den Bereichen Quantensensorik, Quantencomputing oder Leistungselektronik gewachsen.

Diamantsynthese-Anlagen

Für die Diamantsynthese betreibt das Fraunhofer IAF insgesamt 10 Mikrowellen-Plasmareaktoren, die mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) Diamant wachsen:

  • 7 Reaktoren mit einer Fläche von 80 mm Durchmesser
  • 3 Reaktoren mit einer Fläche von 150 mm Durchmesser

Die Reaktoren sind mit gereinigten Gasen ausgestattet, um kontaminationsfreie Diamant- und Dotierungsgase zu erhalten, sowie mit isotopenangereicherten Gasen, um die Diamanteigenschaften zu verändern oder während des Wachstums Farbzentren einzubringen.

Plasmareaktor mit einem zusätzlichen Bild aus dem Inneren des Reaktors.
© Fraunhofer IAF
Großaufnahme aus dem Inneren des Reaktors zeigt sieben Diamantplättchen umgeben von violettem Licht.
© Fraunhofer IAF
Nahaufnahme einer Glaskuppel, die zu einem Diamantreaktor gehört.
© Fraunhofer IAF

Prozessierung

Für die weitere kundenspezifische Bearbeitung von synthetischen Diamanten bietet das Fraunhofer IAF verschiedene Technologien zur Strukturierung von Wafern und Diamantkristallen an:

  • Diamant-Chiptechnologie
  • Elektronenstrahllithographie​
  • Laserlithographie/-schneiden​
  • Reaktives Ionen-Ätzen​
  • Metallisierung​
  • Polieren

Diamant-Dotierung

Das Fraunhofer IAF bietet verschiedene Dotierstoffe für Diamanten an, die jeweils auf ihre Anwendung zugeschnitten sind:

  • Stickstoff für die Erzeugung von Stickstoff-Vakanzen (NV)
  • Bor für p-Typ-Diamanten
  • Phosphor für n-Typ-Diamanten

Weitere Informationen

Quantencomputing am Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF verfolgt verschiedene Ansätze zur Entwicklung von Quantencomputing-Hardware und -Software.

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Quantensensorik am Fraunhofer IAF

Informieren Sie sich über unsere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich der Quantensensoren.

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Wissenschaftliche Publikationen

Hier finden Sie aktuelle Forschungsergebnisse des Fraunhofer IAF.

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