Festkörpervorrichtungen einer neuen Dimension
Es gibt viele Möglichkeiten, wie die Siliziumhalbleiter-Technologie über ihre Grenzen hinaus vorangetrieben werden kann. Die Integration kostengünstiger Siliziummaterialien mit anderen Hochleistungswerkstoffen und der Einsatz neuer Strukturen mit Nanoeelementen werden derzeit umfangreich untersucht. In solchen Maßstäben kommen die quantenphysikalischen Effekte zum Tragen und bieten erweiterte Funktionalitäten für photonische und elektronische Geräte. Das EU-geförderte Projekt III-V NWS ON SI vereinte diese beiden Ansätze in einem Versuch, die Miniaturisierung voranzutreiben und leistungsstarke Geräte zu entwickeln. Die Wissenschaftler integrierten Halbleiter-Nanostrukturen - basierend auf Materialien in den Gruppen III-V - mit Silizium. Der Fokus dabei lag auf Halbleiter-Nanodrähten mit direkter Bandlücke aus der GaAs-Familie, die Materialien von hoher optischer Aktivität und starker Elektronenmobilität umfasst. Sie ermöglichen außerdem eine präzise Abstimmung der vielen intrinsischen Eigenschaften durch Anpassung von Heterostruktur und Bandlücke mit verwandten Legierungen. Ihre eindimensionale Geometrie bietet die Möglichkeit, das riesige Potenzial quantenphysikalischer Effekte zu nutzen und in sehr unterschiedliche Substrate wie Silizium integriert zu werden. Mithilfe der Molekularstrahlepitaxie-Methode wurden kristalline Halbleitermaterialien hergestellt. Hierauf basierend wurden vollständig katalysatorfreie Indium (In)-Ga und GaAs-Nanodrähte auf Silizium mit hervorragender Morphologie und Homogenität gezüchtet. Mittels verschiedener nanometrologischer Techniken wurden die strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften des Nanodrahts bestimmt und so abgestimmt, um Geräte mit außergewöhnlichen Funktionalitäten zu erhalten. Die Projektergebnisse umfassten einen optisch gepumpten Nanodraht-Laser, der mithilfe von oberflächenpassivierten Kern-Schale-Nanodrähten aus GaAs und AlGaAs Infrarotlicht ausstrahlte. Darüber hinaus entwickelten die Projektmitglieder Tunneldioden auf Nanodraht-Basis in Silizium integriert, die in Tunnelfeldeffekt-Transistoren verwendet werden können. Schließlich führte eine Kern-Schale-Nanodraht-Heterostruktur mit Modulationsdotierung zu einer viel höheren Elektronenbeweglichkeit im Vergleich zu aktuellen Techniken. Die Projektergebnisse leisten für Europa einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung sehr kleiner, hocheffizienter Festkörpervorrichtungen. Diese können in einer Reihe unterschiedlicher Bereiche zum Einsatz kommen, etwa in der integrierten Nanophotonik, für Licht-Emitter und -Absorber, in Sensoren sowie in der Informations- und Kommunikationstechnik.
Schlüsselbegriffe
Festkörpervorrichtung, Nanodraht, Galliumarsenid, Siliziumhalbleiter
