Nanostrukturen aus bisher unmöglichem Material (Foto: tuwien.at)

Wien (pte021/06.03.2018/11:30) –

Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) http://tuwien.at haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich bisher nicht
erreichbare Mischungsverhältnisse zwischen Germanium und gewünschten
Fremdatomen erreichen lassen. So entstehen neue Materialien mit deutlich
veränderten Eigenschaften.

Neue Halbleitermaterialien

"In einen Kristall gezielt Fremdatome einzubauen, um
seine Eigenschaften zu verbessern, ist eigentlich eine Standardmethode",
sagt Sven Barth vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Unsere
moderne Elektronik beruht auf Halbleitern mit bestimmten Zusätzen – ein
Beispiel dafür sind etwa Siliziumkristalle, in die Fremdatome wie
Phosphor oder Bor eingebaut werden.

Auch das Halbleitermaterial Germanium sollte seine
Eigenschaften grundlegend ändern und sich eher wie ein Metall verhalten,
wenn man eine ausreichende Menge an Zinn beimengt – das war bereits
bekannt. Doch in der Praxis war das bisher nicht zu erreichen. Naiv
betrachtet, könnte man einfach versuchen, die beiden Elemente stark zu
erhitzen, sie in flüssiger Form gut durchzumischen und dann erstarren zu
lassen, wie man das seit Jahrtausenden macht, um einfache
Metall-Legierungen herzustellen.

"Diese einfache thermodynamische Methode versagt aber
in diesem Fall, weil sich die beigemischten Atome nicht effizient ins
Gittersystem des Kristalls einfügen", erklärt Barth. "Je höher die
Temperatur, umso beweglicher sind die Atome im Material. Das kann dazu
führen, dass sich diese Fremdatome nach einem erfolgreichen Einbau aus
dem Kristall ausscheiden und im Inneren wieder nur eine sehr geringe
Konzentration dieser Atome zu finden ist."

Innovative Mikroelektronik

Das Verfahren der Forscher liefert ein besonders
schnelles Kristallwachstum mit sehr niedrigen Prozesstemperaturen. Dabei
wird bei der Entstehung des Kristalls laufend die richtige Menge der
Fremdatome eingebaut. Die Kristalle wachsen in Form von Drähtchen oder
Stäbchen im Nano-Format, und zwar bei deutlich geringeren Temperaturen
als bisher, nämlich bloß 140 bis 230 Grad Celsius.

"Dadurch sind die eingebauten Atome von Anfang an
weniger beweglich, die Diffusionsprozesse sind langsam, die meisten
Atome bleiben dort, wo man sie haben will", so Barth. Mit der Methode
gelang es, bis zu 28 Prozent Zinn beziehungsweise 3,5 Prozent Gallium in
Germanium einzubauen. Das ist viel mehr, als bisher durch gewöhnliche
thermodynamische Kombination dieser Materialien möglich war – nämlich
das 30- bis 50-Fache.

Für die Mikroelektronik eröffnet das neue
Möglichkeiten: Die dank des neuen Ansatzes erzeugten Materialien wären
etwa für Infrarot-Laser, für Photodetektoren oder neuartige LEDs im
Infrarot-Bereich einsetzbar, da sich die physikalischen Eigenschaften
des Germaniums durch diese Zusätze signifikant ändern.