Germanium-Nanodrähte zur Integration mit Silizium

Dadurch können Kontaminationen ausgeschlossen und die Nanodrähte besser in Mikrochips integriert werden. Dieses Ergebnis einer internationalen Forschergruppe wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Zur Herstellung immer kleiner werdenden Strukturen in der modernen Halbleitertechnologie werden Prozesse der Selbstorganisation immer interessanter. Dabei ordnen sich die einzelnen Atome und Moleküle wie von Zauberhand selbst in den gewünschten Strukturen an. Diesem Trend folgend haben Wissenschaftler eine neue Bottom-up-Methode zur Herstellung von Germanium-Nanodrähten entwickelt. Diese ermöglicht die direkte Bildung der Drähte auf einem Mikrochip, ohne dass dazu ein metallischer Katalysator notwendig wäre.

Da die gewünschte Struktur Atom für Atom aufgebaut wird, ist die Bottom-up-Methode sehr präzise und reproduzierbar. Bisher werden Halbleiter-Nanodrähte meistens mit Hilfe metallischer Nanostrukturen abgeschieden, die das Halbleitermaterial konzentrieren und in eine bestimmte Richtung aufwachsen lassen. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass der metallische Katalysator den entstehenden halbleitenden Nanodraht kontaminieren kann. Außerdem ist die Integration dieser senkrecht aufgewachsenen Nanodrähte in die Mikrochips der Silizium-Technologie äußerst schwierig.

Um diese Probleme zu umgehen, haben Dr. Jianjun Zhang vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und seine Kollegen eine Methode entwickelt, die ohne Katalysator auskommt und auf einer flachen Oberfläche funktioniert. Dabei wird mittels Molekularstrahlepitaxie eine dünne Germaniumschicht auf einer Siliziumunterlage abgeschieden. Anschließend wird das Präparat auf 560° C erwärmt. Dadurch sammelt sich das Germanium in Inseln, die an die Form von Dächern erinnern. Nach einigen Stunden prägen diese Inseln eine langgestreckte Form aus. Bei einer Höhe von ca. 2 und einer Breite von 20 Nanometern erreichen sie eine Länge von einigen Mikrometern. „Das beeindruckende an diesen Strukturen ist, dass sie aus einem perfekten Einkristall bestehen und darüber hinaus sehr viel einfacher in die bestehende Si Technologie integrierbar sind als das bei anderen Verfahren der Fall ist,“ sagt Professor Schmidt, Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften im IFW Dresden.

Theoretische Modelle zeigen, dass die Form eines langgestreckten Zeltes die energetisch günstigste ist. Dadurch entstehen sehr kleine und gleichmäßige Querschnitte, die interessant für verschiedene Bauelemente sein können, so zum Beispiel für solche, die den Spin von Ladungsträgern kontrollieren.
Die Forschungsergebnisse wurden durch eine internationale Kooperation aus Gruppen von Dresden, Mailand, Grenoble, Linz, und Tomsk erzielt und in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht: J. J. Zhang, G. Katsaros, F. Montalenti, D. Scopece, R. O. Rezaev, C. Mickel, B. Rellinghaus, L. Miglio, S. De Franceschi, A. Rastelli, and O. G. Schmidt, Monolithic Growth of Ultrathin Ge Nanowires on Si(001), Phys. Rev. Lett. 109, 085502 (2012)

KONTAKT:
Prof. Dr. Oliver G. Schmidt
Institut für Integrative Nanowissenschaften, IFW Dresden,
Helmholtzstrasse 20, 01069 Dresden, Deutschland;
Tel: +49/(0)351/4659-800
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