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Oberflächenzustände von Halbleiternanodrähten aufgedeckt

31.10.2013
Das Verkleinern mikroelektronischer Bauteile ermöglicht regelmäßig technische Innovationen.

Vor diesem Hintergrund stehen derzeit Nanodrähte aus Halbleitern im Blickpunkt von Forschung und Entwicklung. Wissenschaftlern aus Jülich, Düsseldorf, Berlin und dem französischen Lille ist es nun gelungen, die Oberflächenstruktur der wichtigen Galliumnitrid-Nanodrähte zu entschlüsseln.


Die Grafik veranschaulicht die sogenannte Zustandsdichte an der Oberfläche eines Galliumnitrid-Kristalls (unten) im Vakuum, also die Wahrscheinlichkeit, mit der Elektronen bestimmte Energieniveaus besetzen (rot = hoch, grün = niedrig).
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Ihre Erkenntnisse schafften es auf den aktuellen Titel der internationalen Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“. Sie lassen sich wahrscheinlich auch auf Nanodrähte aus anderen Halbleitern übertragen und geben Impulse für die Entwicklung miniaturisierter optoelektronischer Bauteile.

Halbleiter-Nanodrähte besitzen interessante optoelektronische Eigenschaften, etwa die Fähigkeit, Licht zu erzeugen, und lassen sich durch kontrollierte Selbstorganisation in immer gleicher Größe und Form herstellen. Energieeffiziente Leuchtdioden (LEDs) und Laser etwa basieren auf optoelektronischen Halbleitermaterialien.
Die optoelektronischen Eigenschaften hängen von der elektronischen Struktur des verwendeten Materials ab. Blaues und grünes Licht etwa lässt sich mit Galliumnitrid herstellen, einem der verbreitetsten Halbleitermaterialien in der Optoelektronik.

Die elektronische Struktur von Gallliumnitrid ist eigentlich gut bekannt. Aber: Für Nanodrähte daraus galt das bisher nicht. Denn Nanodrähte besitzen einen Durchmesser von einigen wenigen bis einigen hundert Nanometern und sind bis zu mehreren Mikrometern lang. Ihre Oberfläche ist deshalb im Verhältnis zum Volumen extrem groß. Die elektronische Struktur der Oberfläche wird dadurch wichtiger. Sie kann sich aber deutlich von der bekannten Volumenstruktur unterscheiden.

Das Forscherteam verfolgte deshalb bei seiner Arbeit einen neuen Ansatz: Die Wissenschaftler untersuchten nicht die Nanodrähte selbst, sondern sie spalteten Materialproben so, dass größere Flächen entstanden. Deren Struktur gleicht der von Nanodrähten. Mithilfe von Rastertunnelspektroskopie konnten die Forscher daran die Wahrscheinlichkeit messen, mit der Elektronen bestimmte Energieniveaus einnehmen. Berechnungen des Teams bestätigten schließlich die Messergebnisse.

Originalveröffentlichung:
Hidden surface states at non-polar GaN (1010) facets: Intrinsic pinning of nanowires. L. Lymperakis et al.. Appl. Phys. Lett. 103, 152101 (2013), published online 7 October 2013,
DOI: 10.1063/1.4823723

Link zum Artikel:
http://dx.doi.org/10.1063/1.4823723

Weitere Informationen:
Peter Grünberg Institut – Mikrostrukturforschung (PGI-5):
http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-5/DE/Home/home_node.html

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

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