Panorama

Diamanten-Nachschub für Quantentechnologien

28.07.2022 - Neues Projekt soll die Versorgung des wichtigen Basismaterials sichern.

Um die Verfügbarkeit hochreiner wie großflächiger Diamant-Wafer für quanten­technologische Anwendungen zu sichern, hat das Projekt­konsortium „Großflächige Diamant­substrate für die Quanten­technologie“ (GrodiaQ) seine Arbeit aufgenommen. Der Verbund wird vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF koordiniert und besteht außerdem aus fünf Industrie-Unternehmen mit eigener Expertise im Bereich der Herstellung, Verarbeitung und Verwertung von Diamant und diamant­basierten Quanten­technologien. Gemeinsam bilden die Projektpartner somit die gesamte Wertschöpfungs­kette ab. Ziel ist es, Anlagentechnik und Basismaterial für Quanten­bauelemente zu entwickeln, die nach Projektende von den Industrie­partnern in die wirtschaftliche Verwertung überführt werden können. 

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„Großflächige hochwertige Diamant-Wafer sind eine unersetzliche Grund­komponente bei der Herstellung von Bauelementen für diamant­basierte Quanten­technologien, die voraus­sichtlich in den nächsten drei bis zehn Jahren Marktreife erreichen“, sagt Projekt­koordinator Peter Knittel. „Die Materialkosten lassen sich durch die Verwendung von Diamant-Wafern mit größeren Durchmessern im Vergleich zum heutigen Stand der Technik signifikant senken, wodurch die Entwicklung und Herstellung von Quanten­bauelementen wirtschaftlich wird. Vor diesem Hintergrund ist GrodiaQ eine große Chance, Deutschland als führenden Standort in der Erforschung, Entwicklung und Fertigung hoch­entwickelter Quanten­technologien auf Diamant-Basis zu etablieren.“

Spezifische Material­eigenschaften ermöglichen es Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant, schon bei Raumtemperatur stabile Quanten­zustände zu bilden. Aus diesem Grund zählt die Nutzung von NV-Zentren in Diamant-Substraten zu den chancen­reichsten Ansätzen auf dem Weg in die Anwendung und wirtschaftliche Verwertung der Quanten­technologien, beispielsweise in Bereichen wie Medizintechnik oder Informatik. Besonders in Kristall­richtung (111)-orientiert gewachsener Diamant ist ein wichtiges Material für die Herstellung von Quanten­bauelementen, da dieses Wachstum sowohl die Erzeugung der NV-Zentren durch erleichterten Stickstoff­einbau begünstigt als auch deren Kontrollier­barkeit als Qubits deutlich verbessert. 

Problematisch ist bis heute allerdings die Versorgung mit Diamant-Substrat, das die genannten Bedingungen erfüllt. Nur wenige Hersteller – davon keiner aus der Euro­päischen Union – können überhaupt Material liefern, das den geschilderten Anforderungen an Kristall­reinheit und (111)-Orientierung entspricht. Die Verfügbarkeit ist zudem auf nicht-industrie­taugliche kleine Stückzahlen und Abmaße begrenzt. Auch die Fragilität der erhältlichen Substrate stellt eine Hürde dar, weil sie für Anwendungen im Bereich der Quanten­technologien auf eine Oberflächen­rauheit von unter zwei Nanometer poliert werden müssen. Die in GrodiaQ geplanten Diamant-Wafer zeichnen sich demgegenüber durch eine industrie­taugliche Größe aus. Gleichzeitig werden infolge optimierter Verarbeitungs­prozesse auch ideale Substrate für die weitere Aufbereitung und Prozessierung bereitgestellt.

In drei Schritten wollen die Projekt­partner industriell nutzbare Diamant-Substrate ermöglichen und so den Grundstein einer europäischen Lieferkette für Quanten­bauelemente legen. Das Fraunhofer IAF stellt neben seiner Koordinationsfunktion einerseits über die gesamte Projektlaufzeit Material, Wissen und Infrastruktur zur Verfügung. Andererseits optimiert es schwer­punktmäßig das hetero­epitaktische Wachstum von (111)-orientiertem Diamant, um funktionale Schichten für quanten­technologische Anwendungen herstellen zu können. In enger Zusammenarbeit verantwortet Diamond Materials die Schleif- und Polier­arbeiten bis Rauheiten von unter zwei Nanometer sowie Wachstum und Prozessierung größerer Substrat­flächen und -mengen.

Evatec Europe entwirft und konstruiert nach dem Ansatz der spannungs­gestützten Diamant­nukleation (BEN) einen energie­effizienten Reaktor für die chemische Gasphasenabscheidung, der in Kombination mit neuen Halbleiter-Mikrowellen­generatoren von Trumpf Hüttinger industrielle Standards für die Wafer-Beschichtung ab Größen von vier Zoll erreichen soll. Von der Kammergeometrie und Spannungs­verteilung des BEN-Reaktors hängt maßgeblich die Qualität der Diamantschichten ab, von den Generatoren die Homogenität des Mikrowellen­plasmas auf größerer Fläche. Die assoziierten Partner Q.ANT und Quantum Brilliance evaluieren schließlich die charak­terisierten Substrate im Hinblick auf ihre Anwendungen in den Bereichen Quantensensorik und Quanten­computing und leisten im Projekt­anschluss den Transfer in den Markt.

Fh.-IAF / JOL

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