Perfekte Halbleiterkristalle in einem Silizium-Nanodraht

Das Indiumarsenid (grün-cyan) ist perfekt in den Nanodraht (blau) integriert (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) / bildquelle: HZDR/Prucnal

Nahezu perfekte Halbleiterkristalle 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 Verbindungshalbleiter 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 Verbindungshalbleiterkristalle 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 Nanometerbereiches 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.

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 Siliziumoxidhülle hält den flüssigen Nanodraht in seiner Form, während die implantierten Atome die Indiumarsenidkristalle bilden. 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.

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