Miniatur-Pyramiden - Herstellung und Charakterisierung von Halbleiternanostrukturen

Linz/Wien (FWF) - Elektronische Bauelemente, wie z.B. Transistoren auf Computerchips, werden bei wachsender Leistungsfähigkeit zunehmend kleiner. Bereits ab dem Jahr 2010 ist mit Abmessungen im Nanometer-Bereich zu rechnen. In diesem Größenbereich aber unterliegen die halbleitenden Eigenschaften den Gesetzen der Quantenmechanik, sind etwa von den geometrischen Abmessungen der Elemente abhängig. Am Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Universität Linz ist es einem Team um Günther Bauer, unterstützt vom FWF, gelungen, gezielt solche Halbleiter-Nanostrukturen herzustellen und zu charakterisieren. Erste Einsatzgebiete sehen die Linzer Physiker unter anderem in der Lasertechnologie.

Ein Nanometer entspricht in etwa einem Hunderttausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Bereits in rund zehn Jahren wird die Elektronik-Industrie Halbleiterbauelemente einsetzen, die ca. 30 bis 50 Nanometer groß sind und die für die jeweilige Nutzung notwendigen Eigenschaften besitzen. Das Linzer Team kann solche Miniaturstrukturen kontrolliert herstellen und deren Eigenschaften bestimmen. Es gibt zwei Produktionsmethoden: Im Fall von "top down" lässt man unterschiedliche Halbleiter-materialien wie z.B. Silizium und Germanium aufeinander aufwachsen, sodass eine Art Sandwichstruktur entsteht, die nachfolgend durch Lithographie und Ätzen prozessiert wird. "Die elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften solcher Strukturen hängen nicht nur von der chemischen Zusammensetzung, sondern auch von den Schichtdicken und deren Verspannung ab", erklärt Bauer. Bei der "bottom up" Methode werden durch das selbstorganisierte Wachstum kleine pyramidenförmige Inselchen mit einer Höhe von etwa 10 Nanometern hergestellt. Da für die Abscheidung solcher Inseln eine Temperatur von rund 600 Grad erforderlich ist, kommt es automatisch auch zu einer Durchmischung der Ausgangsmaterialien, die Germaniumkonzentration nimmt von der Grundfläche der Pyramide zur Spitze hin zu. Das Mischungsverhältnis aber beeinflusst wiederum die quantenmechanischen Eigenschaften, dessen Kontrolle ist daher entsprechend wichtig.


Tomographie für Nano-Pyramiden

Um die Charakteristiken dieser Nano-Elemente genau bestimmen zu können, hat die Linzer Gruppe gemeinsam mit Physikern in Grenoble ein tomographisches Röntgenverfahren entwickelt, welches es erlaubt, quasi Schnitte durch die Mini-Pyramiden in unterschiedlicher Höhe zu legen und die chemische Zusammensetzung festzustellen. "Bei einer 10 Nanometer hohen Pyramide können wir den Verlauf der Materialkonzentration im Nanometermaßstab genau verfolgen", erläutert Bauer. Durch diesen Erfolg rückt auch die Möglichkeit einer Nutzung z.B. bei Lasern für das mittlere Infrarot in greifbare Nähe. "Man könnte die Pyramiden in Resonatoren einbauen und somit Laser realisieren, die mit geringeren Schwellströmen arbeiten als konventionelle Laser. Das würde die Lebensdauer solcher Bauelemente sicher deutlich verlängern", meint er. In jedem Fall notwendig sind weitere Untersuchungen des kontrollierten Wachstums, der strukturellen elektronischen und optischen Eigenschaften solcher Nano-Elemente in den nächsten Jahren.


Wissenschaftlicher Kontakt
Univ. Prof. Dr. Günther Bauer
Universität Linz, Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik
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Wien, am 27. September 2001