Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) kunnen zogeheten quantumpunten van indiumarsenide op sili-cium wafers kweken. Ze ge-bruiken daarbij een proces, dat al wordt toegepast in de halfgeleiderproductie. De materiaalcombinatie zou tot krachtige chips kunnen leiden, die bovendien nieuwe mogelijkheden in de opto-elektronica bieden.
In de halfgeleiderindustrie geldt de zogenaamde wet van Moore: elke 18 maanden verdubbelt het aantal transistoren dat op een computerchip kan worden ondergebracht. Maar de conventionele productietechniek loopt geleidelijk aan tegen de grens van de mogelijkheden en het wordt steeds lastiger om de miniaturisering verder door te voeren. Wereldwijd zoeken natuurkundigen naar wegen om de prestaties van chips op andere manieren te verbeteren. Een van de alternatieven is de integratie van de zogenaamde III-V-halfgeleiders zoals indiumarsenide.
III-V halfgeleiders
Indiumarsenide (InAs) heeft een extreem hoge beweeglijkheid van de elektronen. De elektronen schieten dertig keer sneller door het materiaal dan in een silicium-wafer. Op deze manier kan men snellere componenten krijgen. Bovendien werkt het materiaal met een lagere bedrijfsspanning. Dat vermindert het stroomverbruik en geeft beduidend minder warmteverlies. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum kweken quantumpunten van indium-arsenide als kleine piramides op vrijstaande siliciumzuilen, met lengtes tussen 40 nm en 80 nm.. Als men op deze opstelling een spanning aanlegt gedraagt ze zich als een diode.
Het nieuwe halfgeleidermateriaal maakt niet alleen een hogere kloksnelheid en energiebesparende transistoren mogelijk, maar kan ook worden gebruikt in de opto-elektronica. De III-V-halfgeleiders zijn namelijk goed basismate-riaal voor een efficiënte laser. Als men de signalen tussen en op chips niet elektrisch maar optisch verstuurt, is een beduidend snellere gegevensover-dracht mogelijk. De wetenschappers aan het HZDR testen daarom ook andere halfgeleiderverbindingen zoals indiumfosfiet (InPO3) en gallium-arsenide (GaAs), die licht met een korte golflengte uitstralen en daarom beter nog dan indiumarsenide voor fotonische toepassingen geschikt zijn.
III-V-halfgeleiders zoals indiumarsenide bestaan uit een element uit groep drie van het periodieke systeem en een uit groep vijf. De combinatie van deze materialen met silicium geldt als zeer veelbelovend voor de micro-elektronica is daarom al langer doel van verschillende onderzoeksacti-viteiten. Voorheen werden dergelijke structuren gegenereerd door de zogenaamde moleculaire bundelepitaxie, waarmee men de vreemde stoffen op de wafer als het ware opdampt. Dit proces is niet compatibel met de gebruikelijke productieprocessen in de halfgeleiderindustrie en kan daarom niet zonder meer worden aangepast.
Aanmaak
Voor de productie van de quantumpunten uit indiumarsenide gebruikten de wetenschappers een ionenversneller, zoals die bij de chipproductie voor het doteren wordt gebruikt. Met dit apparaat implanteren ze arseen- en indium- ionen in de oppervlakte van het silicium.
In de tweede stap zorgen de onderzoekers door gebruikmaking van flitslicht dat de ionen samenklonteren tot kleine eilandjes. Daarvoor verwarmen ze de siliciumwafer eerst tot circa 700°C om de mechanische spanningen te nivelleren. Dan worden gedurende 20 ms. krachtige xenonlampen inge-schakeld, die de schijf verhitten tot circa 1200°C. Deze temperatuur ligt boven het smeltpunt van indiumarsenide. Een korte flits is voldoende om de nanopiramides vanzelf door de vloeistoffase-epitaxie te laten kristalliseren in het silicium.
Bij de laatste processtap worden de piramides vrij gelegd. De oppervlakte van de wafer wordt daarvoor geëtst met kaliumhydroxyde (KOH). Omdat indiumarsenide niet wordt aangetast door loog, hebben de onderzoekers geen masker nodig. Alleen het silicium wordt door het kaliumhydroxyde verwijderd, zodat aan het einde de quantumpunten van indium-arsenide op kleine siliciumzuilen van circa 100 nm overblijven.
