Neue Anwendungen durch monolithische Halbleiter

Forschern der ETH Zürich und des CSEM Neuchatel ist es gelungen, eine neue Methode zu entwicken, mit der Strukturen von sehr hoher Qualität aus völlig verschiedenen Halbleitern hergestellt werden können. Dadurch sollen sich Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, die mit den bisherigen Verfahren kaum möglich waren. Die neuartigen Strukturen können fast beliebig dick sein und werden auf kostengünstigen Halbleiterscheiben hergestellt. Diese Strukturen sind überdies nicht durch Verbindungstechniken aneinander gefügt, sondern monolithisch aufgebaut - das heisst, sie bestehen aus einem Stück, was sich durch Verfahren des Schichtwachstums erreichen lässt, wie sie in der Mikroelektronik geläufig sind.

Dank der neuen Methode gelingt es, die Kristalldefekte, die üblicherweise beim Aufeinanderschichten von Lagen aus Atomen verschiedener Grösse auftreten, weitgehend zu eliminieren. Störende Substratverbiegung, verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verschiedener Materialien, wird ebenso weitgehend vermieden, hieß es. Die neue Methode unterbindet so die fatale Bildung von Rissen in den Schichten, die durch thermische Spannungen entstehen.

Dem Verfahren liegt im Grunde eine recht einfache Idee zugrunde: Anstelle von zusammenhängenden Schichten bestehen die Strukturen aus einem raumfüllenden Verband isolierter Kristalle. Mit Hilfe der Photolithographie definieren die Forscher zunächst ein Muster von Flächen auf einer Siliziumscheibe, das einer Schokoladetafel gleicht. Um diese Flächen herum werden danach tiefe Gräben in die Scheibe geätzt. Dadurch entstehen Substratsäulen, deren Höhe grösser ist als ihr Durchmesser.

Anschliessend werden dreidimensionale Halbleiterstrukturen derart auf den Säulen erzeugt, dass zwischen benachbarten Kristallen stets ein minimaler Abstand eingehalten wird. Die Wissenschaftler entwickelten ihre Methode so weiter, dass sie 50 Mikrometer hohe, defektfreie Germaniumstrukturen auf Siliziumscheiben herstellen konnten. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zukünftig auf viele andere Materialkombinationen anwenden.

Die Fähigkeit, nahezu defektfreie, monolithische Halbleiterstrukturen herzustellen, eröffnet bisher unerreichte Anwendungsmöglichkeiten. Bei Röntgendetektoren können Absorber, in welchen Röntgenstrahlung in elektrische Signale umgewandelt werden, direkt auf die Ausleselektronik integriert werden. Mit Absorbern aus hohen, defektfreien Germaniumstrukturen lassen sich beispielsweise empfindliche, energie- und ortsauflösende Detektoren herstellen. Möglicherweise könnten dadurch die Strahlenbelastungen bei medizinischen Anwendungen drastisch gesenkt werden.

Weiter lassen sich hocheffiziente, gestapelte photovoltaische Zellen aus Halbleitern herstellen, wobei sich jede Zelle für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts eignet. Diese Art von Photozellen werden schon heute vor allem in der Raumfahrt verwendet. Da sich die Zellen mit dem beschriebenen Konzept auf Siliziumscheiben herstellen liessen, könnten in Zukunft die teuren, zerbrechlichen und schweren Germaniumsubstrate durch billigere, leichtere und mechanisch stabile Siliziumsubstrate ersetzt werden. Ähnliche Kosteneinsparungen liessen sich bei Leistungshalbleitern erzielen, indem sie auf grossflächige Siliziumscheiben aufgewachsen werden. Silizium, Mineral, Gestein images-of-elements.com