Neue Halbleiter-Werkstoffe erforschen

Halbleiter sind aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Doch die Industrie braucht Halbleiter, die schneller schalten als die jetzt verfügbaren Bauelemente auf Siliziumbasis. Und das, weiß Prof. Dr. Michael Hayes von der Universität in Pretoria/Südafrika, geht nur mit neuen Materialien. Deswegen weilt Prof. Hayes derzeit zu einem zweimonatigen Forschungsaufenthalt in der Arbeitsgruppe Ionenstrahlphysik des Instituts für Festkörperphysik der Universität Jena.

Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium und der National Research Foundation geförderten Aufenthalts prüfen Hayes und sein Jenaer Partner Prof. Dr. Werner Wesch, wie sich potenzielle Materialien für Halbleiterbauelemente unter Beschuss von Ionenstrahlen verhalten.

„Wir untersuchen derzeit Germanium“, sagt Hayes. Das sei für die Halbleiterindustrie nicht unbedingt ein neuer Werkstoff. Aber bisher wurden für die elektrische Leitung in Halbleitern die negativ geladenen Elektronen genutzt. Bei dieser Methode sind aber die Schaltfrequenzen begrenzt. Wesentlich schneller verändern ihre Positionen im Material die positiv geladenen Löcher, die durch Einschuss geeigneter Ionen in das Halbleitermaterial realisiert werden.

„Das Problem ist, wir wissen nicht, was genau bei der so genannten Ionenimplantation in dem beschossenen Material geschieht“, sagt Prof. Hayes, der Physik studiert und seine Doktorarbeit zur Kernreaktionsanalyse geschrieben hat. Denn der Beschuss mit Ionen verursacht in dem von ihm untersuchten Germanium Strahlungsdefekte, die beim Einsatz als Halbleiterbauelement stören würden. Vor allem bei Raumtemperaturen lässt sich nicht klar unterscheiden, ob die Defekte durch den Beschuss oder andere Einflüsse entstanden sind und wie sie sich verhalten.

Für Prof. Hayes ist es deshalb von außerordentlicher Bedeutung, die in Jena vorhandenen Beschleuniger nutzen zu können. „Hier habe ich die vielleicht weltweit einzige Möglichkeit, die Veränderungen an einem Festkörper durch Ionenbeschuss bei sehr tiefen Temperaturen praktisch in einem Arbeitsgang zu untersuchen und zu analysieren“, sagt der Gastprofessor. Dazu stehen dem 42-jährigen Wissenschaftler zwei Beschleuniger zur Verfügung, die miteinander kombiniert sind. Von einem Beschleuniger aus wird das auf minus 257 Grad Celsius herabgekühlte Germanium mit einem Ionenstrahl beschossen. Bei diesen niedrigen Temperaturen werden die dadurch verursachten Defekte praktisch eingefroren. Mit Hilfe eines zweiten, hochenergetischeren Strahls leichter Ionen aus dem anderen Beschleuniger können die Defekte nahezu synchron bei dieser tiefen Temperatur analysiert werden.

„Ich habe jetzt eine Unmenge an Messdaten erhalten“, freut sich Prof. Hayes. „Die Tests liefen ohne Probleme, die Technik hat funktioniert. Jetzt müssen die Daten ausgewertet werden. Dann wissen wir, ob wir erfolgreich waren“, sagt der südafrikanische Wissenschaftler.

Neben den in Jena vorhandenen Beschleunigern nennt Prof. Hayes noch einen zweiten Grund dafür, warum seine Wahl auf das Institut für Festkörperphysik fiel. „Die Jenaer Forschergruppe um Professor Wesch genießt international hohe Reputation“, sagt Prof. Hayes. Mit ihnen zusammenzuarbeiten sei für ihn ein Gewinn.

Prof. Wesch, Dozent am Institut für Festkörperphysik, weist darauf hin, dass nicht nur Germanium auf seinen potenziellen Einsatz als Halbleitergrundstoff untersucht wird. Im Fokus stünden auch Zinkoxid, Aluminiumoxid und sogar Kohlenstoff in Gestalt von Diamant. Es handle sich um Grundlagenforschung mit weit reichender praktischer Bedeutung, ist sich Prof. Wesch sicher. „Nur wenn wir verstehen, was in dem Festkörper beim Beschuss mit Ionen passiert, können wir auch herausfinden, wie die unerwünschten Störungen vermieden oder beseitigt werden können. Das ist für die industrielle Herstellung neuartiger Halbleiterbauelemente unabdingbar.“

Die Zusammenarbeit mit Südafrika ist nach Angaben von Prof. Wesch kein Einzelfall. Auch Forscher aus Frankreich, Portugal und Australien nutzen die Möglichkeiten, die ihnen die Beschleuniger der Jenaer Universität bieten. Die Kooperation mit Pretoria möchten sowohl Wesch als auch Hayes gern fortsetzen und denken bereits über Nachfolgeprojekte nach.

Kontakt:
Prof. Dr. Werner Wesch
Institut für Festkörperphysik der Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947330
E-Mail: werner.wesch[at]uni-jena.de