„Sandgestrahlte“ Halbleiter

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Integrierte Schaltkreisen, Solarzellen oder LEDs basieren häufig auf winzigen Nano-Strukturen. Durch eine verblüffende, neue Methode entstehen die bei Ionenbeschuss wie von selbst.

Schnelle, elektrisch geladene Atome – sogenannte Ionenstrahlen – bringen eine Nanostruktur dazu sich selbst zu organisieren. Das könnte die Herstellung von Halbleiter-Elementen in Zukunft deutlich beschleunigen und kostengünstiger gestalten. Dafür wird ein breiter Strahl von Edelgas-Ionen auf eine Scheibe mit dem Halbleiter Galliumarsenid gelenkt. Ein Material, das etwa für die Produktion von Fotozellen oder Leuchtdioden verwendet wird. Vergleichbar ist der Ionen-Beschuss mit einem Sandstrahlgebläse, das die Oberfläche des Ziels abfräßt. Dadurch entsteht wie von selbst eine sanddünenähnliche Nano-Struktur, mit Abständen von gerade einmal 50 Nanometern. Ein menschliches Haar ist 2000-mal dicker.

Nano-Struktur durch heißen Ionen-Beschuss

Bei normaler Zimmertemperatur würde der Ionenstrahl die Kristallstruktur des Galliumarsenids und damit seine Halbleiter-Eigenschaften zerstören. Damit sie wieder “ausheilen”, müssen die Proben während des Beschusses auf etwa 400 Grad Celsius aufgeheizt werden.

Durch einen weiteren Effekt entstehen Nano-Dünen auf der Halbleiter-Oberfläche. Die aufprallenden Ionen verschieben nicht nur getroffene Atome, sondern schlagen auch einzelne Atome aus dem Kristall heraus. Da das flüchtige Arsen nicht gebunden bleibt, besteht die Oberfläche bald nur noch aus Gallium-Atomen. Um die fehlenden Bindungen zu den Arsen-Atomen zu kompensieren, bilden sich Paare aus zwei Gallium-Atomen, die sich in langen Reihen anordnen. Schlägt der Ionenstrahl gleich daneben weitere Atome heraus, können die Gallium-Paare über die entstandene Stufe nicht hinunter rutschen, weil die Temperaturen dazu zu niedrig sind. So entstehen aus den langen Reihen von Gallium-Paaren nach einiger Zeit winzige Nano-Dünen, bei denen etliche lange Paar-Linien nebeneinander liegen.

Die entwickelte Methode der inversen Epitaxie funktioniert für unterschiedliche Materialien. Zunächst allerdings nur im Labor. Da die eingesetzten besonders niederenergetischen Ionen einfach herzustellen sind, ist eine industrielle Umsetzung in Zukunft aber durchaus aussichtsreich.

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Mit Ionenbestrahlung gelingen selbstorganisierte Muster und Strukturen im Nano-Maßstab. (Foto: SIMIT, Chinese Academy of Science).