Kristall-Hochzeit im
Nanokosmos
Nahezu perfekte Halbleiter-Kristalle in einem
Silizium-Nanodraht einzubetten, dies ist Forschern des
Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der Technischen
Universität (TU) Wien und der Marie-Sklodowska-Universität Lublin
gelungen. Mit der neuen Methode zur Herstellung von Hybrid-Nanodrähten
könnten in Zukunft sehr schnelle und multifunktionale Recheneinheiten
auf einem einzigen Chip untergebracht werden. Die Forschungsergebnisse
werden in der Zeitschrift „Nano Research“
publiziert.
Die Nano-Optoelektronik gilt als Grundpfeiler
zukünftiger Chiptechnik, doch die Forschung steht dabei vor großen
Herausforderungen: Einerseits müssen die elektronischen Bauelemente auf
immer kleinerem Raum untergebracht werden. Andererseits sollen auch
sogenannte Verbindungs-Halbleiter in die üblichen Materialien
eingebettet werden. Denn im Gegensatz zu Silizium besitzen solche
Halbleiter besonders bewegliche Ladungsträger und könnten so die
Leistungsfähigkeit modernster siliziumbasierter CMOS-Technik
verbessern.
Wissenschaftler des HZDR, der TU Wien und der
Marie-Sklodowska-Universität Lublin sind nun beiden Zielen einen Schritt
näher gekommen: Sie integrierten Verbindungs-Halbleiter-Kristalle aus
Indiumarsenid (InAs) in Silizium-Nanodrähte, welche sich ideal für die
Konstruktion immer kompakterer Chips eignen.
Bislang lag in dieser
Integration der Kristalle das größte Problem solcher
„Hetero-Nanodrähte": Oberhalb des Nanometer-Bereiches sorgten
Fehlanpassungen der Kristallgitter stets für sehr viele Defekte. Die
Forscher erreichten jetzt erstmals eine nahezu perfekte Erzeugung und
Einbettung der InAs-Kristalle in die Nanodrähte.
Implantierte Atome
bilden Kristalle in der Flüssigphase
Zum Einsatz kamen
dabei die Ionenstrahlsynthese und eine Wärmebehandlung mit
Xenon-Blitzlampen, beides Techniken, bei denen das Ionenstrahlzentrum
des HZDR über langjährige Erfahrung verfügt. Zunächst mussten die
Wissenschaftler eine gewisse Menge an Atomen präzise per
Ionenimplantation in die Drähte einbringen. Innerhalb von nur 20
Millisekunden erfolgte dann die Wärmebehandlung des Siliziumdrahtes in
seiner Flüssigphase. „Eine nur etwa 15 Nanometer dicke
Siliziumoxid-Hülle hält den flüssigen Nanodraht in seiner Form“, erklärt
der HZDR-Forscher Dr. Slawomir Prucnal, „während die implantierten Atome
die Indiumarsenid-Kristalle bilden.“
Dr. Wolfgang Skorupa,
der Leiter der Forschungsabteilung, fügt hinzu: „Die Atome diffundieren
in der flüssigen Siliziumphase so schnell, dass sie innerhalb von
wenigen Millisekunden makellose Einkristalle mit nahezu perfekten
Grenzflächen zur Umgebung bilden.“ Als nächsten Schritt wollen die
Wissenschaftler das Einbringen von Fremdatomen noch besser kontrollieren
und zudem Größe und Verteilung der Kristalle
optimieren.