Oberflächenzustände von Halbleiterdrähten
Jülicher Wissenschaftler decken elektronische Struktur von GaN-Oberflächen auf.
Die Verkleinerung mikroelektronischer Bauteile ermöglicht regelmäßig technische Innovationen. Vor diesem Hintergrund stehen derzeit Nanodrähte aus Halbleitern im Blickpunkt von Forschung und Entwicklung. Über die Oberflächenstruktur der wichtigen Galliumnitrid (GaN)- Nanodrähte herrschte bisher Kontroverse. Forschern aus Jülich, Düsseldorf, Berlin und dem französischen Lille ist es nun gelungen, sie in einer kombinierten experimentellen und theoretischen Arbeit aufzuklären. Ihre Erkenntnisse, die es auf den aktuellen Titel der internationalen Fachzeitschrift Applied Physics Letters schafften, gelten wahrscheinlich auch für Nanodrähte aus anderen Halbleitern und geben neue Impulse für die Entwicklung miniaturisierter optoelektronischer Bauteile.
Abb.: Die Grafik veranschaulicht die sogenannte Zustandsdichte an der Oberfläche eines GaN-Kristalls (unten) im Vakuum, also die Wahrscheinlichkeit, mit der Elektronen bestimmte Energieniveaus besetzen (rot = hoch, grün = niedrig). (Bild: FZ Jülich)
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. Für Nanodrähte aus diesem Material galt das bisher nicht. Denn Nanodrähte besitzen einen Durchmesser von einigen wenigen bis einigen hundert Nanometern und sind bis zu mehrere Mikrometer 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.
Der Ansatz des Teams unterschied sich von früheren dadurch, dass sie nicht die Nanodrähte selbst untersuchten, sondern Materialproben so spalteten, dass größere Flächen entstanden, deren Struktur der von Nanodrähten gleicht. Mit Hilfe von Rastertunnelspektroskopie konnten die Forscher daran die Wahrscheinlichkeit messen, mit der Elektronen bestimmte Energieniveaus einnehmen. Berechnungen des Teams bestätigten die Messergebnisse.
FZ Jülich / LK
