Rastertunnelmikroskopie und Terahertz-Lasertechnologie Forscher entwickeln eine neue Methode zur präzisen Halbleiter-Analyse

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Um immer intelligentere und leistungsfähigere Elektronik in immer kleinere Geräte zu bringen, ist die Entwicklung von Werkzeugen und Methoden zur präzisen Analyse der Materialien notwendig. Forscher kombinieren dafür Bildgebung im atomaren Maßstab mit extrem kurzen Laserpulsen.

Physiker der Michigan State University kombinieren für die Halbleiter-Analyse hochauflösende Mikroskopie mit ultraschnellen Lasern. Die in der Fachzeitschrift 'Nature Photonics' beschriebene Methode ermöglicht den Forschern das Aufspüren unpassender Atome in Halbleitern mit hoher Präzision. Diese unpassenden Atome werden gemeinhin als „Defekte“ bezeichnet. Das klingt negativ, ist aber anders gemeint. Die Defekte werden den Materialien in der Regel absichtlich hinzugefügt und sind für die Leistung von Halbleitern von entscheidender Bedeutung.

„Dies ist besonders für Bauteile mit nanoskaligen Strukturen von Wichtigkeit“, so Tyler Cocker, Leiter der zur Methode verfassten Studie; beispielsweise Computerchips, für die Halbleiter mit solchen Strukturen verwendet werden. Weiterhin arbeiten Forscher daran, Nano-Architekturen auf die Spitze zu treiben, indem sie Materialien entwickeln, die nur ein Atom dünn sind.

Elektronen steuern

„Diese nanoskopischen Materialien sind die Zukunft der Halbleiter“, sagt Cocker. „Wenn man Elektronik im Nanomaßstab hat, ist es wirklich wichtig, sicherzustellen, dass sich die Elektronen so bewegen, wie man es will.“ Defekte spielen bei dieser Bewegung eine große Rolle, weshalb Wissenschaftler wissen wollen, wo genau sie sich befinden und wie sie sich verhalten. Die neue Methode von Cockers Team erlaubt, diese Informationen auf einem simplen Weg zu erhalten, weil sie mit der richtigen Ausrüstung einfach zu implementieren ist. Das Team hat sie bereits auf atomar dünne Materialien wie Graphen-Nanobänder angewendet. „Wir haben eine Reihe offener Projekte, in denen wir die Methode mit weiteren und exotischeren Materialien anwenden“, wird erklärt.

Eine Fast-Berührung

Es gibt bereits Instrumente, primär das Rastertunnelmikroskop (STM), mit denen Wissenschaftler Einzelatomdefekte aufspüren. STMs verwenden keine Linsen und Glühbirnen zur Vergrößerung von Objekten, sondern tasten die Oberfläche einer Probe mit einer extrem feinen Spitze ab. Die STM-Spitze berührt die Oberfläche der Probe jedoch nicht, sie kommt nur nahe genug heran, damit Elektronen zwischen der Spitze und der Probe tunneln können.

STMs zeichnen auf, wie viele und von wo aus Elektronen tunneln, um zusammen mit anderen Informationen Erkenntnisse auf atomarer Ebene über die Proben zu liefern. Diese Daten allein reichen jedoch nicht immer aus, um Defekte in einer Probe eindeutig aufzulösen, insbesondere bei Galliumarsenid, einem wichtigen Halbleitermaterial, das in Radarsystemen, hocheffizienten Solarzellen und modernen Telekommunikationsgeräten verwendet wird.

Für ihre jüngste Veröffentlichung konzentrierten sich Cocker und sein Team auf Galliumarsenidproben, die absichtlich mit Siliziumdefektatomen versetzt wurden, um die Bewegung der Elektronen durch den Halbleiter zu beeinflussen. „Das Siliziumatom sieht für die Elektronen im Grunde wie ein tiefes Schlagloch aus“, so Cocker. Obwohl Theoretiker diese Art von Defekt schon seit Jahrzehnten untersuchen, konnten diese einzelnen Atome bisher nicht in Experimenten direkt nachgewiesen werden.

Mikroskop und Laserpulse

Die Methode von Cocker und Team verwendet ein STM, auf dessen Spitze Laserpulse strahlen. Diese Pulse bestehen aus Lichtwellen mit Terahertz-Frequenzen, d. h. sie bewegen sich eine Billion Mal pro Sekunde auf und ab. Durch diese Kopplung schuf das Team eine Sonde mit einer bislang unerreichten Empfindlichkeit für Defekte. Kommt die Spitze in die Nähe eines Siliziumdefekts auf der Oberfläche des Galliumarsenids, erscheint ein intensives Signal in den Messdaten.

Nachdem sein Team die Methode mit der Gemeinschaft geteilt hat, ist Cocker gespannt, welche weiteren Entdeckungen es geben wird. Inzwischen kombinieren viele Gruppen STMs und Terahertz-Licht. Zeitgleich gibt es eine Vielzahl anderer Materialien, die von dieser Technik für Anwendungen profitieren könnten und die über den Nachweis von Defekten hinausgehen. (sb)

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