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Peter Grünberg Institut
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NanoCluster Tool

Das hochmoderne Multi-Material-Cluster (NanoCluster) Tool wird von Instituten des Forshungszentrums Jülich (PGI-9, PGI-10, PGI-7, PGI-6) und der RWTH Aachen (IP 1A) betrieben. Das Werkzeug bietet eine einzigartige Kombination von zehn UHV-Epitaxie-/Depositionssystemen einschließlich MBE, ALD und Sputtern, die durch lineare Transferlinien und Drehübertragungsarme miteinander verbunden sind. Es bietet die Möglichkeit zum in-situ Wachstum komplexer Nanostrukturen aus III-V- und Gruppen-II-Halbleitern auf Selenidbasis, topologischen Isolatoren, Metallen, Oxiden, magnetischen und Phasenwechselmaterialien. Das in-situ Wachstum kann die Dichte von Grenzflächenzuständen signifikant reduzieren, was zu verbesserten (opto-)elektronischen Nanobauteilen führt und die Möglichkeit bietet, neue Quantenphänomene zu untersuchen. Das Cluster-Tool ist potenziell ein universelles Tool für die Entwicklung neuer Materialien und Hybridstrukturen unter ultrareinen Bedingungen. In naher Zukunft werden an das NanoCluster-Tool Geräte zur In-situ-Charakterisierung und -Verarbeitung, STM, kombiniert FIB/SEM und LEED, angeschlossen.

Mehr als die Hälfte der Systeme wird für die Wachstums- und Depositionsaktivitäten in PGI-9 eingesetzt:

- Modul 1 (M#1) ist ein Omicron PRO-100 III-As MBE-System, das mit As-Cracker-Quelle und 2x Ga-, In und Al-Effusionszellen ausgestattet ist. Si, GaTe und C Sublimationsquellen werden für das Doping verwendet. Das System wird für das Wachstum hochwertiger GaAs/AlGaAs/AlGaAs/InGaAs Heterostrukturen und InAs Quantenpunkte verwendet, die für Projekte im Zusammenhang mit halbleiterbasiertem Quantencomputing erforderlich sind.

- Ebenso ist das Modul 2 (M#2) auch ein Omicron PRO-100 MBE-System, jedoch für III-As, Sb. Im Vergleich zu M#1 hat es eine zusätzliche Sb-Crackerzellen und nur eine Ga-Effusionszelle. Die Anlage wird hauptsächlich für das Wachstum von Nanodrähten (NWs) genutzt: InAs und GaAs NW (Array)'s, Core-Shell-Halbleiter-NWs, wie GaAs/InAs, GaAs/InSb, InAs/GaSb und GaAs/ZnSe (M#12) NWs. Zusätzlich werden GaAs und InGaAs-Substrate für die II-VI-Epitaxie angebaut. Die NWs werden für Magnetotransportuntersuchungen, supraleiterhalbleiterbasierte Qubits, Low-Power-Bauelemente usw. gewachsen.

- Modul 3 (M#3) ist ein Oxford Instruments FlexAL II ALD-System, das ausgestattet ist, um 8 flüssige oder feste Quellen + H2O, Blasen- oder Dampfabzug, 6 gasförmige Precursor (N2, Ar, O2, H2, etc.) aufzunehmen. Die ICP Remote-Plasmaquelle und der Ozongenerator vervollständigen schließlich die Ausstattung und bieten viel Flexibilität bei der Abscheidung einer Vielzahl von Oxiden und Nitriden. In unserem Institut wird die Ausrüstung für die in-situ Deposition von High-k Dielektrika (Al2O3, HfO2) und Metall-Gates (TiN, TaN) auf den epitaktisch gewachsenen Strukturen und NWs eingesetzt.

- Modul 4 (M#4) ist ein Omicron PRO-100 Metall-MBE-System mit 3 Hochtemperatur-Effusionsszellen für Pt, Ti und Ni, einer Niedertemperatur-Effusionszelle für In und 2 UHV-Elektronenstrahlverdampfern mit jeweils 4 Taschen für Al, Ti, Pd, Ta, Nb, etc. Das System zielt auf die in-situ Abscheidung von Metallen und Supraleitern auf Halbleiter- oder topologischen Isolator-Nanostrukturen, nämlich NWs.

- Modul 12 (M#12) ist ein selbst entwickeltes MBE-System für das Wachstum von II-Se-Heterostrukturen, das mit Standard-Effusionszellen von Zn, Cd, Mg und Se sowie nuklear-spinfreien Zn und Se Isotopenquellen ausgestattet ist. Für die Dotierung werden ZnCl2 und ZnF2 verwendet. Das System wird für die Herstellung von Nanostrukturen verwendet, die für Projekte im Zusammenhang mit Halbleiter-Spin-Qubits, Einzelphotonenquellen und III-V/II-VI-Hybrid Kern/Hülle-Nanodrähten erforderlich sind.

- Modul 13 (M#13) ist ein maßgeschneidertes MBE-System für topologische Isolatormaterialien. Die Ausrüstung verfügt über Crackerquellen für Sb, Se, Te, eine Doppeleffusionszelle für Bi und eine normale Effusionszelle für Mn (Cr). Ein UHV-Elektronenstrahlverdampfer mit 6 Taschen für die Abscheidung von Al, Nb, Ti, V, Pd und W ist ebenfalls an der Kammer angebracht. Das Wachstum spezifischer Hybridstrukturen ist Teil der Forschungsaktivität Topologisches Quantencomputing.

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