direkt zum Inhalt springen

direkt zum Hauptnavigationsmenü

Sie sind hier

TU Berlin

Inhalt des Dokuments

Nanomaterialien

Hier beschäftigen wir uns mit der Erforschung des Wachstums und der Optimierung von Halbleiter-Nanostrukturen – vorrangig mit Quantenpunkten – für optoelektronische Anwendungen und die Grundlagenforschung. Da die lateralen Abmessungen solcher Nanostrukturen im Nanometer-Bereich liegen, ist die Herstellung nicht trivial. Prinzipiell lassen sich die gängigen Verfahren in drei Gruppen einteilen:

 

  • Nass-chemische Verfahren zur Ausfällung kolloidaler Quantenpunkte (Abb. 1A)
  • Wachstum von höherdimensionalen Strukturen (z.B. Schichten) und anschließende Ätzverfahren unter Anwendung hochauflösender Lithografie (Abb. 1B)
  • Selbstorganisiertes Wachstum mittels epitaktischer Anlagen (Abb. 1C-E)

 

In der AG Bimberg wird das selbstorganisierte epitaktische Wachstum untersucht. Unter Selbstorganisation versteht man den Vorgang, dass sich beim epitaktischen Wachstum ein Halbleiter 1 ohne äußeres Zutun auf/in einem Halbleiter 2 in Form von Quantenpunkten, also kohärenten dreidimensionalen Nanostrukturen, abscheidet. Die Strukturbildung basiert auf einer Minimierung der Gesamtenergie des Systems. Strukturelle Eigenschaften der Quantenpunkte wie Form, Größe, Zusammensetzung und Flächendichte lassen sich in gewissen Grenzen durch die Wachstumsparameter steuern.

Abb. 1: Quantenpunktstrukturen aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren
Lupe

Es ist noch zu unterscheiden zwischen ’freistehendem’ 3D-Wachstum und Entmischungsvorgängen einer (ternären) Schicht. Beim selbstorganisierten, freistehenden Wachstum gibt es zwei Wachstumsmodi. Beim Stranski-Krastanow Modus bilden sich die Quantenpunkte auf einer so genannten Benetzungsschicht aus (Abb. 1C). Diese Benetzungsschicht ist vom gleichen Material wie die Quantenpunkte und typischerweise eine Monolage dick. Im Vollmer-Weber Modus wachsen die Quantenpunkte ohne unterliegende Benetzungsschicht direkt auf dem Substrat auf (Abb. 1D). Das dreidimensionale Wachstum resultiert in beiden Fällen in einer geringeren Verspannungsenergie als im Fall geschlossener Schichten. Bei einigen ternären Materialsystem wie InGaN auf GaN bilden sich die Quantenpunkte nicht als freistehende dreidimensionale Objekte aus, sondern entstehen durch Entmischungseffekte: Das auf GaN aufgebrachte InGaN bleibt nicht stöchiometrisch verteilt, sondern es entstehen In-reiche Zonen umgeben von einem InGaN Film mit geringerer In-Konzentration (Abb. 1E) wodurch ebenfalls Verspannungsenergie abgebaut wird. Die wichtigsten epitaktischen Verfahren, die für die Quantenpunktherstellung eingesetzt werden, sind die metall-organische chemische Gasphasenepitaxie (engl. metal-organic chemical vapor-phase deposition, MOCVD) und      die Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxy, MBE). Die MOCVD arbeitet mit gasförmigen Materialträgern und in einem Niederdruck-Regime von typischerweise 20 − 200 mbar. In der MBE werden für die Ausgangsstoffe Feststoffzellen eingesetzt und das Wachstum findet im Hochvakuum (10−5−10−7 mbar) statt. Insbesondere in der industriellen Massenproduktion von Halbleiterheterostrukturen hat sich die MOCVD aufgrund des weniger kritischen Druck-Regimes durchgesetzt. Die selbstorganisierten Verfahren haben gemein, dass sich innerhalb kürzester Zeit riesige Mengen an Quantenpunkten abscheiden lassen. (Als Zahlenbeispiel: Im Falle typischer InAs/GaAs Quantenpunktproben haben sich die Quantenpunkte innerhalb von ≈ 10 s ausgebildet. Bei einer Flächendichte von ≈ 4 · 1010 cm-2 und einer Substratgröße von 2” entspricht dies ungefähr 2 · 1010 Quantenpunkten pro Sekunde.)

Nanomaterialien Forschungsschwerpunkte in der AG Bimberg:

Herstellung und Optimierung von Quantenpunktstrukturen für:

  • Laser und Verstärker (Kantenemitter, VCSEL, SOA)
  • VECSEL (1220 nm, 1040 nm, 940 nm) für Anwendungen im sichtbaren Spektralbereich (frequenzverdoppelt)
  • Einzel-Photonenemitter
  • Speicherbauelemente


Weiterführende Literatur:

  • D. Bimberg, M. Grundmann und N.N. Ledentsov, Quantum Dot Heterostructures (John Wiley & Sons, UK, 1998).
  • V.A. Shchukin, N.N. Ledentsov und D. Bimberg, Epitaxy of Nanostructures (Springer Heidelberg, Germany, 2003).

Zusatzinformationen / Extras

Direktzugang

Schnellnavigation zur Seite über Nummerneingabe

Diese Seite verwendet Matomo für anonymisierte Webanalysen. Mehr Informationen und Opt-Out-Möglichkeiten unter Datenschutz.