Leuchtende Nanostrukturen aus Galliumarsenid

  • 26. February 2018

Effiziente Bauelemente in für die Optoelektronik interes­santen Frequenz­bereichen.

Halbleiter aus Galliumarsenid besitzen im Vergleich zu Silizium deut­lich bessere opto­elek­tro­nische Eigen­schaften. Diese Eigen­schaften lassen sich mit Nano­struktu­rie­rungen gezielt beein­flussen. Eine besonders inte­res­sante Nano­struktu­rie­rung ist nun einem Team um Sebastian Schmitt und Silke Christiansen vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materi­alien und Energie gelungen. Aus Australien hatten sie einen Silizium-Wafer erhalten, der mit einer über­raschend kristal­linen Germa­nium­schicht bedeckt war. Germa­ium besitzt nahezu die gleiche Gitter­konstante wie Gallium­arsenid und bietet sich daher als ideale Unter­lage an.

Nanostruktur

Abb.: Der GaAs-Nanokristall hat sich als Dode­ka­der auf einer Silizium-Germanium-Nadel abge­schieden, zeigt diese Raster­elek­tronen­mikro­skopie. Zur besseren Unter­scheid­bar­keit sind die rhombischen Außen­flächen ein­ge­färbt. (Bild: S. Schmitt, HZB)

In diesen Wafer ätzten sie im Abstand von einigen Mikro­metern tiefe Gräben ein, bis nur noch eine Reihe feiner Silizium­säulen mit einem Häub­chen aus Germa­nium auf dem Substrat stehen­blieb. Gallium­arsenid wurde dann mit metall­orga­nischer Gas­phasen­epi­taxie abge­schieden. So lager­ten sich syste­ma­tisch Gallium- und Arsen­atome auf dem Germanium­häub­chen ab, und bildeten einen winzigen, nahezu per­fekten Kristall. „Das Germa­nium wirkt hier wie ein Kristal­li­sa­tions­keim“, erklärt Schmitt. Die Nano­archi­tektur sieht unter dem Elek­tronen­mikro­skop spekta­kulär aus. Auf den ersten Blick meint man, auf jeder Silizium­nadel einen Würfel zu erkennen, der auf der Spitze steht. Auf den zweiten Blick zeigt sich: Es ist in Wirk­lich­keit ein Rhombo­do­deka­eder – jede der zwölf Flächen ein iden­tischer Rhombus.

Tatsächlich zeigt diese Nano-Struktur nach Anregung mit einem Laser eine außer­ge­wöhn­lich starke Licht­emis­sion, und zwar insbe­son­dere im nah­infra­roten Bereich. „Während des Wachs­tums der GaAs-Kristalle werden auch Germanium-Atome in das Kristall­gitter ein­ge­baut“, erklärt Schmitt. Dieser Ein­bau von Germa­nium führt zu zusätz­lichen Energie­niveaus für Ladungs­träger, die beim Zurück­fallen auf ihre ursprüng­lichen Niveaus Licht abgeben. Dieses Licht wird in optischen Reso­nanzen des hoch­symme­trischen Nano­kristalls ver­stärkt, und die Frequenz dieser Reso­nanzen lässt sich über Größe und Geo­metrie der Kristalle gezielt steuern. Im Experi­ment konnte eine Viel­zahl dieser optischen Reso­nanzen nach­ge­wiesen werden, die auch gut mit den nume­rischen Berech­nungen über­ein­stimmen. „Weil sich die optischen und elektro­nischen Eigen­schaften von Halb­leitern durch Nano­struktu­rie­rung stark modi­fi­zieren lassen, eignen sich solche Material­archi­tek­turen hervor­ragend dazu, neuartige Sensoren, Leucht­dioden oder Solar­zellen zu ent­wickeln“, sagt Schmitt.

HZB / RK

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