Zum Gral der Halbleitertechnik

Forscher aus Linz beschießen winzige Drähte aus Halbleitern mit Röntgenstrahlen, um die Atomabstände zu messen. Man erhofft sich revolutionäre Zugänge für die Halbleiterindustrie.

Wenn man aus Silizium einen direkten Halbleiter machen könnte, wäre optische Kommunikation auf Mikrochips möglich.
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Wenn man aus Silizium einen direkten Halbleiter machen könnte, wäre optische Kommunikation auf Mikrochips möglich.
Wenn man aus Silizium einen direkten Halbleiter machen könnte, wäre optische Kommunikation auf Mikrochips möglich. – (c) REUTERS (Kim Kyung Hoon / Reuters)

Halbleiter gehören zu den am besten erforschten Materialien. Nicht nur die Computertechnologie, auch die Fotovoltaik und eine ganze Reihe Industriezweige basieren auf Halbleitertechnologie, dementsprechend optimiert sind viele Konzepte. Ein Zugang, der noch neue Möglichkeiten verspricht, ist die Herstellung extrem dünner Drähte aus Halbleitern. Eine Gruppe um Julian Stangl von der Uni Linz beschäftigt sich mit der Erforschung solcher Drähte mit einer Dicke von etwa 100 Nanometern, 500-mal dünner als ein menschliches Haar.

„Die meisten Halbleiterbauelemente werden so erzeugt, dass auf einem Wafer eine dünne Schicht aufgebracht und diese dann mit lithografischen Verfahren bearbeitet wird“, erklärt Stangl. „Die Drähte, die wir untersuchen, funktionieren anders: Sie stehen senkrecht auf der Oberfläche. Man kann sich das wie einen Pelz vorstellen.“ Es beginnt mit „Keimen“ auf einer Oberfläche, auf denen der Draht zu wachsen beginnt. „Während des Wachstums kann das Material gewechselt werden, so lassen sich Bereiche einbauen, die extrem kurz sind, fünf bis zehn Nanometer, um so komplexere Bauteile wie Laser zu erzeugen.“ Die Möglichkeiten sind vielfältig.

 

Laser auf Chips integrieren?

Eine Forschungsrichtung zielt darauf ab, die Gitterstruktur von Halbleitern zu verändern. In der Halbleitertechnik unterscheidet man zwischen direkten und indirekten Halbleitern. Erstere können Licht zwar absorbieren und in elektrischen Strom verwandeln, aber nur schlecht Licht emittieren. Silizium gehört zu dieser Gruppe.

Direkte Halbleiter hingegen, zu denen Gallium-Arsenid gehört, können auch Licht emittieren und eignen sich für die Herstellung von Lasern. „Eine Art Gral in der Halbleiterforschung ist es, aus Silizium einen direkten Halbleiter zu machen. Dann wäre es möglich, auf Chip-Ebene optische Elemente wie etwa Laser direkt zu implementieren und damit die Kommunikation von elektrischen Leitern auf Optik umzustellen. Das würde Chips erheblich schneller machen.“ Es werden derzeit international mehrere Ansätze verfolgt. Einer davon hat das Ziel, die Kristallstruktur von Silizium zu verändern. Dieses hat normalerweise kubische Kristallstruktur, etwa bekannt von Kochsalz, das Würfel bildet. Gelänge es, Silizium in eine hexagonale Kristallstruktur zu bringen, also in die Form von Bienenwaben, so könnte Silizium zu einem direkten Halbleiter werden.

„Dafür gibt es eine erste Demonstration einer Gruppe aus Eindhoven, mit der wir auch innerhalb eines EU-Projekts zusammenarbeiten. Dazu lässt man einen hexagonalen Nanodraht aus einem Verbundhalbleiter wachsen und umhüllt diesen mit Silizium, das diese hexagonale Kristallstruktur übernimmt.“ Die Forschungen seien noch ganz am Anfang, sagt Stangl. „Ob man so Silizium mit einer direkten Bandlücke erreicht, ist noch nicht sicher. Daran forschen wir in den nächsten Jahren.“ Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Nanodrähte liegt im Bereich Fotovoltaik, wo höhere Wirkungsgrade zu erwarten sind.

Um die Eigenschaften von Nanodrähten genau bestimmen zu können, nutzt Stangls Gruppe Röntgenstrahlen. Röntgenbeugung ist eine sehr präzise Methode, um Kristallstrukturen von Festkörpern abzubilden. Dazu wird eine Röntgenquelle mit einem sehr feinen Strahl benötigt. Technisch ist das derzeit nur mit Teilchenbeschleunigern wie jenen am Cern möglich: Hochenergetische Elementarteilchen geben, wenn sie abgebremst werden, Röntgenstrahlung ab, sogenannte Synchrotronstrahlung. Stangl hat dafür Zugang zu einem Beschleuniger in Grenoble.

 

Von 1000 km auf ein Haar

„Wir messen damit die Atomabstände in so einem Kristall bis auf ein Tausendstel oder Zehntausendstel Atomdurchmesser genau. Das ist in etwa so, als würde man auf Tausende Kilometer Entfernung auf ein menschliches Haar schießen.“ Diese Genauigkeit sei auch notwendig, sagt Stangl, kleinste Änderungen der Gitterstruktur verändern die optischen und elektronischen Eigenschaften.

Ein vom Wissenschaftsfonds FWF gefördertes Projekt zur Vermessung von Nanodrähten wurde kürzlich abgeschlossen, weitere Forschungen befassen sich mit dem Einfluss von mechanischen Spannungen in Halbleiter-Nanodrähten. Auch solche inneren Spannungen könnten Silizium zu einem direkten Halbleiter machen.

LEXIKON

Die Nanodrähte, die das Team der Universität Linz untersucht, stehen senkrecht auf einer Oberfläche – fast wie ein Pelz. Sie sind aus Indiumarsenid, mit einer Hülle aus Galliumarsenid. Die hellen Punkte sind Gold-Nanopartikel. Diese Drähte wachsen aus „Keimen“ auf einer Oberfläche, wobei das Material während des Wachstums gewechselt werden kann. [ Johan Persson, DTU Kopenhagen ]

("Die Presse", Print-Ausgabe, 08.04.2017)

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