Ionenstrahlinduzierte Nanodrahtsynthese

In den letzten Jahren haben sich eindimensionale Nanostrukturen als äußerst leistungsfähige Komponenten für nanoskalige Bauteile erwiesen. Neben den Kohlenstoffröhrchen (engl. carbon nanotubes) zeigten besonders halbleitende Nanodrähte (engl. nanowires) ihr großes Potential für zukünftige elektrische, optische und magnetische Nanobauteile als auch für hochsensible Sensoren. Darüber hinaus besitzen diese halbleitenden Nanodrähte den Vorteil dass sie problemlos in die vorhandene Halbleiterinfrastruktur eingeführt werden können folglich von den kontinuierlichen Verbesserungen in der CMOS Technologie profitieren. Neben einer stetigen Verkleinerung der Bauteile kann dabei die monolithische Integration der, für optische Anwendungen ausgezeichneten, III-V Halbleiter in die ausgereifte Si-Technologie zu einer erweiterten Funktionalität führen. Die in Nanodrähten eingeschränkte Ladungsträgerbeweglichkeit kann z.B. in optischen Bauelementen Ladungsträgerre-kombination noch effizienter machen und damit die Lichtemission erhöhen. Die monolithische Integration von III-V Halbleiter in die Si-Technologie auf Waferebene durch epitaktisches Aufwachsen ist bisher an fundamentalen Problemen wie der Fehlanpassung des Gitters und unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten gescheitert. Bei Nanodrähten wird aufgrund der kleinen Berührungsfläche das Kristallgitter des III-V Materials nur nahe der Berührungsfläche elastisch verformt und die Verspannungen relaxieren sehr rasch an der Nanodrahtoberfläche. Hauptziel dieses Projektes ist daher die monolithische Integration von hierarchischen Nanodraht-Heterostrukturen in Siliziumbauteilen und deren elektrische und optische Charakterisierung. Dabei soll, basierend auf LPCVD und MBE Technologien, eine Methode zur kontrollierten Synthese von Nanodrähten und Nanodrahtheterostrukturen entwickelt werden. Das Wachstum der Nanodrähte wird bei dem von uns eingesetzten VLS (engl. Vapor-liquid-solid) Verfahren von nanometergroßen Metallkatalysatoren induziert. In einem zweiten Schritt werden dann einzelne Nanodrähte aber auch Ensembles von Nanodrähten in sogenannte Testmodule integriert, um dann deren fundamentale elektrische und optische Eigenschaften untersuchen zu können. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind Grundlage für eine Evaluierung potentieller Einsatzgebiete und die Module stellen eine Plattform für neuartige elektronische, magnetische Anwendungen, Spintronic- oder Sensorbauteile dar. Aufbauend auf die ausgereifte SOI-Technologie sollen zwei unterschiedliche, teils selbstjustierende Prozesse zur Herstellung der Testmodule entwickelt werden. Systematisch sollen mehrere Materialkombinationen (Metalle und Halbleiter) im Hinblick auf die folgenden 3 Anforderungen untersucht werden: (i) Entwicklung geeigneter Prozesse, um Nanodrahtheterostrukturen kontrolliert und reproduzierbar herzustellen (vertikale-, radiale Heterostrukturen, Hybridsysteme und verzweigte Heterostrukturen). (ii) die Möglichkeit der grundlegenden Untersuchung der Grenzflächenübergänge von Heterostrukturen und der Charakteriserung von Metallkontakten zu den Nanodrähten. (iii) Entwicklung verlässlicher Meßmethoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der elektrischen und optischen Eigenschaften der Hybrid- und Nanodrahtheterostrukturen. Neben den wissenschaftlichen Aspekten soll dieses Projekt Jungwissenschaftlern, im speziellen den beteiligten Doktoranden, die Möglichkeit geben, in einem zukunftträchtigen Bereich der Nanotechnologie tätig zu sein und ein wissenschaftliches Profil zu entwickeln.

Ein aktuelles Thema im Bereich der fokussierten Ionenstrahl (engl. Focussed ion beam FIB)-Material Wechselwirkung ist die durch Ionenbeschuss induzierte Selbstorganisation von Nanostrukturen. Im Rahmen des BANG Projektes wurden anhand eines detaillierten Forschungsplans, eine Reihe von FIB-Materialkombinationen untersucht, um: (i) ein Grundverständnis der ionenstrahlinduzierten Oberflächenreaktionen zu erhalten (ii) Prozesse für die reproduzierbare Bildung von Nanostrukturen zu entwickeln und (iii), geeignete Verfahren für die Integration solcher durch FIB Beschuss induzierter Nanostrukturen als aktive Elemente für CMOS kompatible Sensoren zu entwickeln. Dazu wurden insbesondere für die Materialien Si , Ge, Sb, GaSb , HOPG und Bi der Einfluss der FIB Prozessparameter wie etwa Energie und Dosis der Ionen, Auftreffwinkel des FIB Strahls und die Strahlführung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei geheizten Substraten untersucht. Ergänzende Versuche mit alternativen Ionenquellen wurden am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf im Rahmen des SPIRIT Projektes (EU Projekt zur Unterstützung von öffentlichen und industriellen Forschungsarbeiten mit Ionenstrahltechnologie) durchgeführt. Eines der wohl bemerkenswertesten Ergebnisse dieser Reihenuntersuchungen war die Ausbildung von freistehenden Graphitnanoschichten bei der Bestrahlung von hochgeordnetem pyrolithischen Graphit (HOPG) mit FIB. Ebenso bemerkenswert ist die Beobachtung, dass diese Strukturen intensive Photolumineszenz (PL) zeigen. Diese ist bisher noch unverstanden und wird derzeit mit großem Nachdruck in Zusammenarbeit mit der EPFL in Lausanne untersucht. Im Falle von Ge als Substratmaterial führte der FIB Beschuss und anschließendes Tempern zu Germanium-Nanonetzwerken mit einer Dicke von weniger als 20 nm. Kryo-Messungen in Zusammenarbeit mit der Universität Delft zeigten auch für diese Strukturen PL im nahen Infrarotbereich. Die systematischen Untersuchungen von FIB Interaktion mit Ge offenbart auch einen bislang unbekannten Effekt der spontanen Aktivierung von Dotierstoffen in Ge Nanodrähten. Das ultimative Ziel des BANG Projektes war es aber solche FIB induzierte Nanostrukturen in CMOS kompatible Sensorprototypen zu integrieren. Dies konnte mit FIB generierten Sb Nanodrähten anhand eines Feuchtigkeitssensors gezeigt werden. Dazu wurden Sb-Nanodrähte mit einheitlichen Durchmessern von nur 25 nm und Längen bis zu mehreren Mikrometern an vorgegebenen Positionen mit einem FIB-induzierten selbstorganisierten Prozess ohne zusätzliche Materialquelle synthetisiert. Solche Sb-Nanodrähte zeigen eine selektive Sensoreigenschaften für Ethanol und H2O mit außergewöhnlichen Empfindlichkeiten von mehr als 17000 bzw. 60000.