Neue Art von Halbleiterstrukturierung

Die ersten Resultate dieses Forschungsprojekts wurden soeben im Fachmagazin „Science“ publiziert.

Die neuartigen Strukturen können fast beliebig dick sein und werden auf kostengünstigen Halbleiterscheiben hergestellt. Diese Strukturen sind überdies nicht durch irgendwelche Verbindungstechniken aneinander gefügt, sondern monolithisch aufgebaut. Das heisst, sie bestehen aus einem Stück, was sich durch Verfahren des Schichtwachstums erreichen lässt, wie sie in der Mikroelektronik geläufig sind.

Dank der neuen Methode gelingt es, die Kristalldefekte, die üblicherweise beim Aufeinanderschichten von Lagen aus Atomen verschiedener Grösse auftreten, weitgehend zu eliminieren. Störende Substratverbiegung, verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verschiedener Materialien, wird weitgehend vermieden. Die neue Methode unterbindet die fatale Bildung von Rissen in den Schichten, die durch thermische Spannungen entstehen.

Wie eine Tafel Schokolade

Dem Verfahren liegt eine bestechend einfache Idee zugrunde: Anstelle von zusammenhängenden Schichten bestehen die Strukturen aus einem raumfüllenden Verband isolierter Kristalle. Mit Hilfe der Photolithographie definieren die Forscher zunächst ein Muster von Flächen auf einer Siliziumscheibe, das einer Schokoladetafel gleicht, im Gegensatz zur Schokolade jedoch nur einige Mikrometer gross ist. Um diese Flächen herum werden danach tiefe Gräben in die Scheibe geätzt. Dadurch entstehen Substratsäulen, deren Höhe grösser ist als ihr Durchmesser. Anschliessend werden dreidimensionale Halbleiterstrukturen derart auf den Säulen erzeugt, dass zwischen benachbarten Kristallen stets ein minimaler Abstand eingehalten wird. Die Wissenschaftler perfektionierten ihre Methode so, dass sie 50 Mikrometer hohe, defektfreie Germaniumstrukturen auf Siliziumscheiben herstellen konnten. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zukünftig auf viele andere Materialkombinationen anwenden.

Bisher unerreichte Anwendungsmöglichkeiten

Die Fähigkeit, nahezu defektfreie, monolithische Halbleiterstrukturen herzustellen, eröffnet bisher unerreichte Anwendungsmöglichkeiten. Bei Röntgendetektoren können Absorber, in welchen Röntgenstrahlung in elektrische Signale umgewandelt werden, direkt auf die Ausleselektronik integriert werden. Mit Absorbern aus hohen, defektfreien Germaniumstrukturen lassen sich empfindliche, energie- und ortsauflösende Detektoren herstellen. Möglicherweise könnten dadurch die Strahlenbelastungen bei medizinischen Anwendungen drastisch gesenkt werden. Weiter lassen sich hocheffiziente, gestapelte photovoltaische Zellen aus Halbleitern herstellen, wobei sich jede Zelle für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts eignet. Diese Art von Photozellen werden schon heute vor allem in der Raumfahrt verwendet. Da sich die Zellen mit dem beschriebenen Konzept auf Siliziumscheiben herstellen liessen, könnten in Zukunft die teuren, zerbrechlichen und schweren Germaniumsubstrate durch billigere, leichtere und mechanisch stabile Siliziumsubstrate ersetzt werden. Ähnliche Kosteneinsparungen liessen sich bei Leistungshalbleitern erzielen, indem sie auf grossflächige Siliziumscheiben aufgewachsen werden.

Die an den Forschungsarbeiten beteiligten schweizerischen Gruppen erfahren grosszügige Unterstützung durch das Nano-Tera Projekt «NEXRAY», eines dessen Ziele die Entwicklung neuartiger Röntgendetektoren ist. «Das CSEM ist stolz darauf ein solches interdisziplinäres Projekt mit den Partnern CSEM, EMPA und ETH Zürich zu koordinieren, das zu neuartigen Bauelementen führen wird», sagt Alex Dommann, der Programm Manager für MEMS am CSEM.

Original: C.V. Falub et al., Scaling hetero-epitaxy from layers to three-dimensional crystals, Science Vol. 335 no. 6074 pp. 1330-1334, doi: 10.1126/science.1217666

ETH Zürich
PD Dr. Hans von Känel
Laboratorium für Festkörperphysik
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