Ein deutsch-französisches Forscherteam hat überraschende Eigenschaften von Nanolöchern in Halbleitermaterialmaterialien identifiziert, die durch eine vielversprechende Technik hergestellt werden: Heiße Aluminiumtröpfchen haben in ihren Versuchen überraschend glatte Löcher in ein Substrat aus Aluminium-Gallium­arsenid (AlGaAs) gefressen. Die Methode eignet sich unter anderem zur Produktion sogenannter Quantenpunkte, die etwa für Lichtquellen mit einer sehr scharf definierten Farbe oder für Speicher­zellen in Quantencomputern verwendet werden können. Das Team vom Center for Hybrid Nano­structures (CHyN) der Universität Hamburg, vom DESY-NanoLab und von der Europäischen Synchrotron­strahlungs­quelle ESRF im französischen Grenoble stellt seine Untersuchungen im Fachblatt „Physical Review Materials“ vor.

Zur Herstellung von Nanostrukturen gibt es grundsätzlich zwei Ansätze: In einem sogenannten top-down-Ansatz kann man eine aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialen hergestellte Kristalloberfläche nachträglich strukturieren. Dieses in der Halbleiterindustrie etablierte Verfahren führte allerdings für die Herstellung von optischen Quanten­punkten bisher nicht zum Erfolg. Hier werden in einem alternativen bottom-up-Ansatz physikalische Mechanismen ausgenutzt, die zur spontanen Bildung von Nanostrukturen während des Kristallwachstums führen. Bei der am CHyN entwickel­ten Methode werden beide Ansätze kombiniert. Zuerst werden metallische Nanotröpfchen auf der Kristalloberfläche spontan gebildet, die dann sehr glatte Nanolöcher in die Kristallober­fläche ätzen. „Das Ätzen von Nanolöchern ist eine spannende Technik für die Nanostrukturierung, die aber auf den dabei interessanten Längenskalen noch immer nicht ganz verstanden ist“, erläutert Hauptautor Vedran Vonk aus dem DESY-Nanolab.

In der jetzt publizierten Arbeit untersuchten die Forscher ein typisches Halbleitermaterial aus Galliumarsenid, das mit Aluminium gemischt war. Gallium­arsenid ist das zweitwichtigste Material in der Halbleiter­industrie nach Silizium. Die optischen Eigenschaften des Materials lassen sich durch die Beimischung von Aluminium kontinuierlich einstellen. „Die Oberflächeneigenschaften der Nanolöcher sind von zentraler Bedeutung, wenn sie zum Beispiel mit Galliumarsenid-Quantenpunkten gefüllt werden“ erläutert Christian Heyn vom CHyN. „Die so hergestellten Quantenpunkte sind perfekt einkristalline Materialinklusionen in einem Halbleiter­kristall, mit denen beispielsweise verschränkte Photonenpaare erzeugt werden können.“

Für ihre Ätzversuche bedampften die Forscher das Halbleitermaterial mit Aluminium, das auf der Oberfläche Tröpfchen formt. Bei bis zu knapp 700 Grad Celsius fraßen sich die Aluminium­tröpfchen in das Halbleitermaterial hinein. „Überraschenderweise entstanden bei Temperaturen über 665 Grad Celsius Löcher mit einer glatten und eckigen Form, wie ein spitzer, eckiger Trichter“, berichtet Vonk. „Das war unerwartet, weil man sich beim Ätzen eigentlich 'angefressene' Strukturen vorstellt. Aber das Aluminium frisst offensichtlich glatte Löcher.“ Die glatte, regelmäßige Form der Löcher wurde bei Röntgenuntersuchungen an der ESRF sichtbar. Warum das heiße Aluminium zu diesen regelmäßigen Formen führt, ist noch nicht komplett verstanden und liegt vermutlich in den thermodynamischen Eigenschaften der verwendeten Materialien begründet.

Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop am CHyN sowie mit dem Rasterelektronen­mikroskop am DESY-Nanolab zeigten, dass die Löcher jeweils etwa 100 Nanometer breit und 60 Nanometer tief sind. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. Bei dem Verfahren können auch andere Metalle verwendet werden, die Abhängigkeit der Form und Facetten vom Material sind aber noch aufzuklären. Solche Löcher könnten als Schablonen für Quantenpunkte mit maßge­schneiderten Eigenschaften dienen, indem sie mit einem neuen Material gefüllt werden. Mit weiteren Analysen wollen die Forscher nun herausfinden, wie sich die Form der Nanolöcher verstehen und kontrollieren lässt.

 

Originalarbeit:
Faceting of Local Droplet-etched Nanoholes in AlGaAs; Vedran Vonk, Taras Slobodskyy, Thomas F. Keller, Marie-Ingrid Richard, Sara Fernández, Tobias Schulli, Christian Heyn, Wolfgang Hansen und Andreas Stierle; „Physical Review Materials“, 2018; DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.106001