Schichten bauen mit dem Atombaukasten

25.08.2010 - Deutschland

Experten der Molekularstrahlexpitaxie sind die Legobauer unter den Halbleiterphysikern. Sie können Atomschichten so gleichmäßig zusammenbauen, als wären es die berühmten Plastikbausteine. Aus immer exotischeren Materialkombinationen entwickeln sie Elektronikbauteile mit ganz neuen Eigenschaften.

Atome sind nicht gern allein. Im Gegensatz zu Kinobesuchern, die meist weit entfernt von anderen Platz nehmen, suchen sie sich möglichst viele Nachbarn. Wenn sie sich auf einer Halbleiteroberfläche neben ihres Gleichen setzen, ist das für sie der energetisch günstigste Platz. Das machen sich Physiker zu nutze, wenn sie Atome aus der Gasphase auf einer Halbleiteroberfläche abscheiden.

Molekularstrahlepitaxie (MBE - Molecular Beam Epitaxy) heißt diese Technik, die Grundlagenforscher genauso nutzen wie die Industrie. Mit ihr werden elektronische Bauteile in Handys hergestellt oder Laser in CD-Spielern und optischen Mäusen. Herzstück dieser Bauteile sind kristalline Halbleiterschichten, die nur wenige Atomlagen dick und völlig perfekt sind. Bei der MBE werden die Halbleiterelemente in einer Vakuumkammer verdampft und scheiden sich ganz gleichmäßig auf einer Oberfläche ab. Die Physiker können dabei quasi zuschauen, wie sich Atom für Atom auf der Schicht anordnet. Sie beherrschen dieses faszinierende Verfahren heute schon so perfekt, dass sie Schichten mit genau definierter Anzahl von Atomlagen erzeugen können.

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Verspannungen erwünscht

Rund 25 Elemente aus dem Periodensystem stehen ihnen dabei zur Verfügung. Die Halbleiterphysiker sind wahre Künstler, wenn es darum geht, diese Elemente immer wieder neu zu kombinieren. „Die Eigenschaften eines Halbleiters, etwa welches Licht er aussendet, hängen wesentlich von seiner Zusammensetzung ab“, sagt Prof. Henning Riechert vom Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik. Da gibt es relativ einfache Schichten wie das Galliumnitrid, die nur aus den Elementen Gallium und Stickstoff bestehen. Komplizierter wird es, wenn die Forscher drei und mehr Elemente in einer Schicht kombinieren. Heraus kommen Materialien wie Gallium-Indiumnitrid, welches beispielsweise für die Erzeugung von Licht im blauen und grünen Bereich des sichtbaren Spektrums eingesetzt wird. Spitzenreiter bei der Anzahl der Schichten ist der Quantenkaskadenlaser mit bis zu 1500 Einzelschichten wechselnder Zusammensetzung, die nur wenige Nanomter dünn sind.

Neben der Zusammensetzung spielen noch viele andere physikalische Parameter eine Rolle. Wenn Schichten aus verschiedenen Materialien bestehen, entstehen oft Spannungen, die durchaus gewollt sind, weil sie die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Bei so dünnen Schichten kommt meist auch der Quanteneffekt ins Spiel. Er besagt, dass die physikalischen Eigenschaften von Materialen sich prinzipiell ändern, wenn die Abmessungen sehr klein werden. Solche Quantenphänomene nutzen die Halbleiterforscher oft gezielt, etwa wenn sie Quantendots - kleine Atomansammlungen - herstellen, die in der Lage sind, „auf Bestellung“ einzelne Lichtteilchen, die Photonen, auszusenden.

Der atomare Baukasten der Natur scheint schier unerschöpflich und wo es soviel Variationsmöglichkeiten gibt, haben die Forscher ein breites Betätigungsfeld. Was wie eine Spielwiese für begabt Physiker erscheint, hat aber einen ernsten Hintergrund. „Elektronische Bauteile sollen immer kleiner werden, mehr leisten und weniger Energie verbrauchen. Da stoßen die herkömmlichen Technologien an ihre Grenzen“, so Riechert. Deshalb suchen er und seine Kollegen nach Materialien und Materialkombinationen mit völlig neuen Eigenschaften.

Säulen statt Schichten

Ein neuer Trend in der Halbleiterforschung geht dahin, nicht Schichten abzuscheiden, sondern Säulen mit Durchmessern im Nanometerbereich. Unter bestimmten Bedingungen wächst dann mittels MBE auf einer Oberfläche ein „Halbleiterrasen“ heran, dessen einzelne „Halme“ noch perfekter sind, als es Schichten je sein können. Oder es gelingt den Physikern solche Rasen auf Oberflächen zu züchten, auf denen Schichten nicht wachsen würden, weil die Kristallstruktur der verwendeten Elemente nicht zusammenpasst. Sie hoffen auf diese Weise beispielsweise Galliumnitrid auf Silizium heranzuziehen, um aus dieser Materialkombination einmal kostengünstig weiße Leuchtdioden für den Massenmarkt herstellen zu können.

Manche Halbleiterelemente wie Indium werden auf der Erde auch langsam knapp werden. Die Forscher suchen hier beispielsweise nach Alternativen für durchsichtige Halbleiter, die bislang Indium enthielten und als Kontaktschichten für Solarzellen dienen. Wieder andere Forscher versuchen, die Elektronen im Halbleiter mit einem ausgerichteten Spin zu versehen, der sonst nur in magnetischen Metallen vorkommt. Der Spin ist eine Art Drehung um die eigene Achse der Elektronen, und kann genau zwei Richtungen annehmen. Die Forscher wollen damit intelligentere Bauteile herstellen, die neben der Information Strom „fließt“ oder „fließt nicht“ auch die Spinrichtung zur Speicherung und Übertragung von Informationen nutzen.

https://www.chemie.de/news/121958/schichten-bauen-mit-dem-atombaukasten.html