Saphir-Stufen für lange Nanodrähte

Ohne winzige Kristalle aus dem Verbindungshalbleiter Galliumnitrid (GaN) gäbe es heute weder blaue Leuchtdioden noch BluRay-Laufwerke. Für dieses Schlüsselmaterial moderner Optoelektronik entwickelten nun israelische Materialforscher ein neues Produktionsverfahren. Ihnen gelang es, etwa ein Millimeter lange Nanodrähte aus GaN in hoher Qualität auf gestuften Saphir-Oberflächen kontrolliert zu züchten. Damit überwanden sie eine wesentliche Hürde für die Entwicklung noch leistungsfähigerer Solarzellen, Leuchtdioden und Schaltkreise. Nun wartet ihr Verfahren auf eine Umsetzung in der Halbleiterindustrie.

„Das gesteuerte Wachstum von horizontal angeordneten Nanodrähten könnte die Hürden für die Nutzung nach der Kristallzucht überwinden“, berichten David Tsivion und seine Kollegen vom Weizmann Institute of Science in Rehovot. Denn bisher können GaN-Nanodrähte nur vertikal im freien Raum Längen von mehreren hundert Mikrometern erreichen und müssen danach aufwendig in optoelektronische Module transferiert werden. Mit einem kontrollierten Wachstum in der Horizontalen könnte dieser Zwischenschritt umgegangen werden.

Für ihren wichtigen Schritt in diese Richtung ließen die Materialforscher auf acht verschieden geformten Saphir-Oberflächen GaN-Kristalle aus einem 950 Grad Celsius heißen Galliumoxid-Dampf, der zudem Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak enthielt, wachsen. Als Katalysator-Partikel, an dem das Kristallwachstum einsetzen kann, nutzen sie kleine Nanoteilchen aus Nickel. Bei dieser chemischen Dampf-Beschichtung (CVD-Verfahren) wuchsen auf den Saphir-Flächen mit millionstel Millimeter kleinen Stufen oder Mulden über einen Millimeter lange und horizontal liegende Nanodrähte ab. Solche Längen, die für Anwendungen in neuen Computerchips, Leuchtdioden oder Solarzellen wichtig sind, konnten bisher mit keiner anderen Methode so kontrolliert erzielt werden.

„Dieses Verfahren wird die Produktion von Halbleitern mit streng kontrollierten Strukturen und einzigartigen Eigenschaften ermöglichen“, sind die Forscher um Tsivion überzeugt. Ihre Zuversicht gewannen sie durch eine Analyse der physikalischen Eigenschaften ihrer säuberlich angeordneten Nanodrähte mit hochauflösenden Mikroskopen und Messverfahren für die Beweglichkeit der Elektronen im Halbleiter. Weder bei der Leitfähigkeit noch in ihrem optischen Verhalten konnten die Forscher Einbußen bei ihren kristallinen Strukturen im Vergleich zu kürzeren Galliumnitrid-Nanodrähten feststellen. Zuvor hatten sie befürchtet, dass die Saphir-Oberfläche zu störenden Defekten in den Kristallen führen könnte. Doch die Messungen zeigten, dass dieser Fall nicht eingetreten war.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen können nun weitere Verfahren entwickelt werden, um lange und damit vielseitige Galliumnitrid-Nanodrähte in großer Zahl herzustellen. Auch andere Unterlage anstelle von Saphir halten die Forscher für möglich. Gelingt dieser Schritt, wird die Halbleiterindustrie in absehbarer Zeit Leuchtdioden oder Solarzellen mit besseren Wirkungsgraden fertigen können. Auch für den Bau extrem schneller Schaltkreise, die nicht mehr allein auf Silizium basieren, bieten die Galliumnitrid-Nanodrähte ein großes Potenzial.

Jan Oliver Löfken

OD