Quantenpunkte aus Indiumarsenid für flinke Prozessoren
QDs mit gängigen Verfahren auf Silizium-Wafern erzeugt – gute Aussichten für die Optoelektronik.
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) können Quantenpunkte aus Indiumarsenid auf Silizium-Wafern erzeugen. Das Besondere: Sie verwenden dabei Verfahren, die schon jetzt in der Halbleiterfertigung im einsatz sind. Die Material-Kombination könnte zu leistungsfähigeren Chips führen, die zudem neue Möglichkeiten in der Optoelektronik bieten.
Abb.: Die Aufnahme mit einem Rasterelektronen-Mikroskop zeigt hell die Quantenpunkte aus Indiumarsenid auf den Siliziumsäulen. (Bild: HZDR)
Beim Versuch, die Leistungsfähigkeit von Prozessoren zu steigern, stößt die herkömmliche Fertigungstechnik mitlerweile an ihre Grenzen, es wird immer schwieriger, die Miniaturisierung weiter voranzutreiben. Als eine Option gilt die Integration von III-V-Halbleitern, wie sie nun Slawomir Prucnal und Wolfgang Skorupa gemeinsam mit ihren Kollegen vom HZDR gelungen ist. Indiumarsenid besitzt eine extrem hohe Elektronenbeweglichkeit, die Teilchen flitzen 30-mal schneller durch das Material als in einem Silizium-Wafer. Außerdem reicht eine geringere Betriebsspannung, was den Stromverbrauch senkt und zu deutlich geringeren Wärmeverlusten führt. Die Forscher erzeugten die Quantenpunkte aus Indiumarsenid als winzige Pyramiden – mit Kantenlängen zwischen 40 und 80 Nanometern – auf freistehenden Siliziumsäulen erzeugt. Legt man an diese Anordnung eine Spannung an, verhält sie sich wie eine Diode.
Indiumarsenid ermöglicht so nicht nur höhere Taktfrequenzen und stromsparende Transistoren, sondern kann vor allem auch in der Optoelektronik genutzt werden. Denn die III-V-Halbleiter sind gute Werkstoffe für effiziente Laser. Überträgt man die Signale zwischen und auf den Chips nicht mehr elektrisch, sondern optisch, sind bedeutend schnellere Übertragungsraten möglich. Daher testen die Wissenschaftler am HZDR nun weitere Halbleiterverbindungen wie Indiumphosphid und Galliumarsenid, die Licht mit kürzerer Wellenlänge abstrahlen und sich daher noch besser für photonische Anwendungen eignen.
Zur Herstellung der Quantenpunkte aus Indiumarsenid verwenden die Wissenschaftler Ionenbeschleuniger, die in der Chipfertigung beim Dotieren eingesetzt werden. Mit diesen Geräten implantieren sie Arsen- und Indium-Ionen in die Oberfläche des Siliziums. In einem zweiten Schritt sorgen die Forscher durch Blitzlampenausheilung dafür, dass sich die Ionen zu winzigen Inseln zusammenlagern. Zunächst erwärmen sie den Silizium-Wafer auf etwa 700 Grad, um mechanische Spannungen auszuschließen. Dann werden für 20 Millisekunden leistungsstarke Xenonlampen eingeschaltet, die die Scheibe auf 1200 Grad erhitzen. Diese Temperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes von Indiumarsenid.
Der letzte Prozessschritt legt diese Pyramiden frei. Dazu ätzt man die Oberfläche des Wafers mit Kaliumhydroxid. Weil Indiumarsenid von der Lauge nicht angegriffen wird, können die Forscher auf eine Maske verzichten. Lediglich das Silizium wird durch das Kaliumhydroxid abgetragen, sodass am Ende die Quantenpunkte aus Indiumarsenid auf kleinen Siliziumsäulen, die etwa 100 Nanometer hoch sind, übrig bleiben.
HZDR / OD
