Ziel der Entwicklung
Das Forschungsprojekt NANOSPIN hatte die Zielstellung, nanometerdünne, ultraniedrig-dämpfende Yttrium-Eisengranat-Schichten (YIG) als Ausgangsmaterial für die künftige magnonische Chipfertigung zu entwickeln.
Vorteile und Lösungen
Für den industrierelevanten Einsatz war die Entwicklung und Etablierung einer stabilen Prozesskette zur Fertigung von drei Zoll großen YIG-Schichten hoher kristalliner Qualität mittels der Flüssigphasenepitaxie mit niedriger Defektdichte und hoher Oberflächenperfektion, erforderlich. Submikrometer-dünne YIG-Schichten auf (001)- und (111)-orientierten drei Zoll-GGG-Substraten lassen sich unter systematischer Adaption der Prozessparameter reproduzierbar abscheiden. Die magnetischen Eigenschaften der YIG-Schichten spielen dabei eine große Rolle für die Ausbreitung von Spinwellen. Es konnte erstmalig eine epitaktische Beschichtung von drei Zoll YIG-Schichten mit Schichtdicken im Bereich von 30 bis 100 Newtonmetern und mit FMR-Linienbreiten = zwei Oe bei 6,5 GHz demonstriert werden. Dieser Dickenbereich ist aktuell präferiert, um Spinwellen-basierte Logikelemente auf Basis von YIG-Schichten zu entwickeln. Die erhaltenen drei Zoll-YIG-Schichten wiesen glatte Oberflächen, wenig Kristalldefekte und homogene Eigenschaften auf.
Zielgruppe und Zielmarkt
Ein Teil der entwickelten YIG-Schichten wurden bereits Anwendern zur Verfügung gestellt. Im Zuge des Projekts konnte der Anwenderkreis vergrößert und auch neue Partner gewonnen werden. Der Endkundenmarkt von nanometerdünnen YIG-Schichten ist international geprägt. Hohes Interesse haben primär Universitäten und Forschungseinrichtungen, die auf Basis von submikrometer- beziehungsweise nanometerdünnen YIG Schichten Anwendungsforschung betreiben. Die aktuelle Roadmap von Chumak et al. zeigt zudem, wie viele Arbeitsgruppen sich auf internationaler Ebene mit Spinwellentechnik beschäftigen. Durch das sehr breit gefächerte Anwendungsspektrum von magnonischen Bauelementen zur partiellen Substitution von herkömmlichen Elektronik-basierten Computern bis hin zum Design von völlig neuartigen Quantencomputern auf Basis von Quantenzuständen im YIG ist ein hoher Bedarf an submikrometer und nanometerdünnen YIG Schichten vorhanden. YIG-Schichten werden aktuell stark wegen den anwachsenden Forschungsaktivitäten dem Gebiet magnonischer Bauelemente und neuartiger Quantencomputer auf YIG-Basis nachgefragt. YIG-Schichten mit einer sehr hohen Qualität und ihren ausgezeichneten Dämpfungseigenschaften sind dabei der Rohstoff für alle weiterführenden Arbeiten, so wie Silizium-Wafer für die Elektronik benötigt werden. Die Nachfrage konzentriert sich momentan auf das universitäre Umfeld, wobei die Forschungsprojekte immer mehr in konkrete Anwendungsgebiete übergreifen. Bei erfolgreicher Umsetzung der Vorhaben der Abnehmer und Partner, ist von einem sprunghaften Anstieg des Bedarfs an YIG-Schichten auszugehen. Es besteht also eine wissenschaftliche Anschlussfähigkeit, weil die entwickelten Schichten für die Durchführung von künftigen Forschungsprojekten genutzt werden können. Höhere zu erwartende wirtschaftliche Effekte sind beispielsweise von einer erfolgreichen Realisierung dieser Logikelemente abhängig. Sollte dieser technische Meilenstein tatsächlich in Zukunft erreicht werden, wird nanometerdünnes beziehungsweise submikrometerdünnes YIG weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Durch die hohe Kompetenz von INNOVENT auf dem Gebiet der einkristallinen YIG-Schichten können weitere Aktivitäten intensiv unterstützt werden.
