Neue Halbleiter-Bearbeitungstechnik entwickelt
Poröse Strukturen aus Siliziumcarbid kann man nun an der TU Wien herstellen. Das bringt neue Möglichkeiten für mikro- und nanotechnisch hergestellte Sensoren und Elektronikkomponenten, aber auch für integrierte Spiegelelemente, die bestimmte Farben filtern.
Eine Mikroskop-Aufnahme der Struktur: Die unterschiedlichen Schichten sind klar zur erkennen.
Copyright: TU Wien
Sie sehen aus wie ein Schwamm im Nano-Format: Extrem feine poröse Strukturen mit winzigen Löchern kann man heute aus Halbleitern herstellen. Das bietet neue Möglichkeiten, winzige Sensoren zu bauen oder ungewöhnliche optische und elektronische Bauteile zu konstruieren. Schon bisher gab es dazu Experimente mit porösen Strukturen aus Silizium. An der TU Wien gelang es nun, ein Verfahren für die kontrollierte Herstellung von porösem Siliziumcarbid zu entwickeln. Siliziumcarbid hat entscheidende Vorteile gegenüber Silizium: Es ist chemisch widerstandsfähiger und kann deshalb ohne zusätzliche Beschichtung für z.B. biologische Anwendungen eingesetzt werden.
Um die Möglichkeiten der neuen Technik zu demonstrieren, wurde nun ein spezieller Spiegel aus einer Vielzahl hauchdünner Schichten mit einer Dicke von jeweils etwa 70 nm mit unterschiedlicher Porosität hergestellt, der unterschiedliche Lichtfarben selektiv reflektiert.
Kontrolle über die Lichtbrechung
„Aus einem soliden Stück eines Halbleitermaterials eine poröse Struktur mit unzähligen Nano-Löchern zu machen, liefert uns eine ganze Reihe spannender technischer Möglichkeiten“, sagt Markus Leitgeb vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Er entwickelte die neue Materialbearbeitungstechnik im Rahmen seiner Dissertation bei Prof. Ulrich Schmid in Zusammenarbeit mit der CTR Carinthian Tech Research AG und gefördert durch das Competence Center for Excellent Technologies (COMET) Programm. „Die poröse Struktur beeinflusst die Art, wie Lichtwellen vom Material abgelenkt werden. Wenn wir die Porosität kontrollieren können, haben wir daher auch Kontrolle über den optischen Brechungsindex des Materials.“
Das kann in der Sensorik sehr nützlich sein – so kann man beispielsweise den Brechungsindex von winzigen Flüssigkeitsmengen mit einem porösen Halbleiter-Sensor messen und so unterschiedliche Flüssigkeiten zuverlässig voneinander unterscheiden.
Eine andere technisch attraktive Möglichkeit ist, ganz gezielt bestimmte Bereiche des Materials zunächst porös zu machen, mit einer neuen Schicht zu überwachsen, und dann kontrolliert zusammenfallen zu lassen – so kann man Mikro- und Nanostrukturen herstellen, die ebenfalls für die Sensorik eine wichtige Rolle spielen.
Doch entscheidend ist bei all diesen Techniken die passende Wahl des Ausgangsmaterials. „Bisher wurde dafür Silizium verwendet, ein Material, mit dem man einfach bereits sehr viel Erfahrung hat“, sagt Prof. Ulrich Schmid. Doch Silizium hat auch entscheidende Nachteile: Unter harten Umgebungsbedingungen, etwa bei großer Hitze oder in basischen Lösungen, werden Strukturen aus Silizium angegriffen und schnell zerstört. Für biologische oder elektrochemische Anwendungen sind Sensoren aus Silizium deshalb oftmals nicht brauchbar.
Daher versuchte man an der TU Wien, Ähnliches mit dem chemisch deutlich robusteren und biokompatiblen Halbleiter Siliziumcarbid zu erreichen – doch um poröse Strukturen aus Siliziumcarbid herstellen zu können, waren einige besondere Kunstgriffe nötig.
Der farbselektive Spiegel
Zunächst wird die Oberfläche gesäubert, dann wird sie teilweise mit einer dünnen Platin-Schicht überzogen. Durch Eintauchen in eine Ätzlösung und Belichten mit UV-Licht werden im Siliziumcarbid Oxidationsprozesse in Gang gesetzt. Auf den nicht mit Platin bedeckten Bereichen entsteht so eine erste 1 µm dünne poröse Schicht. Danach legt man zusätzlich eine elektrische Spannung an um die Porosität sowie die Schichtdicke der Folgeschichten exakt einstellen zu können. Die erste poröse Schicht unterstützt dabei die Bildung erster Poren beim Anlegen der elektrischen Spannung
„Die poröse Struktur breitet sich von der Oberfläche her immer weiter ins Innere des Materials aus“, erklärt Markus Leitgeb. „Durch Anpassen der elektrischen Spannung können wir während dieses Prozesses kontrollieren, welche Porosität wir in welcher Tiefe haben wollen.“ So wurde es möglich, eine komplizierte Schichtstruktur aus poröseren und weniger porösen Siliziumcarbid-Schichten herzustellen die man schlussendlich durch drastisches Erhöhen der Spannung vom Substratmaterial ablösen kann. Die Dicke dieser Schichten kann man so wählen, dass die Schichtstruktur bestimmte Lichtwellenlängen besonders gut reflektiert oder besonders gut passieren lässt – ein integrierter, farb-selektiver Spiegel entsteht.
„Wir haben damit gezeigt, dass man mit unserem neuen Verfahren die Porosität von Siliziumcarbid auf mikroskopischer Skala zuverlässig kontrollieren kann“, sagt Ulrich Schmid. „Diese Technologie verspricht viele Anwendungsmöglichkeiten – von Anti-Reflex-Beschichtungen über optische oder elektronische Bauteile und spezielle Biosensoren bis hin zu widerstandsfähigen Superkondensatoren.“
Originalveröffentlichung
Markus Leitgeb et al.; "Metal assisted photochemical etching of 4H silicon carbide" ;J. Phys. D: Appl. Phys.; 2017, 50 435301.
Markus Leitgeb et al.; "Stacked Layers of Different Porosity in 4H SiC Substrates Applying a Photoelectrochemical Approach"; J. Electrochem. Soc.; 2017, volume 164, issue 12, E337-E347.
Markus Leitgeb et al.; "Porous single crystalline 4H silicon carbide rugate mirrors"; APL Materials; 5, 106106 (2017).
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