Leuchtende Nanoarchitekturen aus Galliumarsenid

Einem Team am HZB ist es gelungen, Nanokristalle aus Galliumarsenid auf winzigen Säulen aus Silizium und Germanium aufzuwachsen. Damit lassen sich auf der Basis von Siliziumchips sehr effiziente Bauelemente in für die Optoelektronik interessanten Frequenzbereichen realisieren.

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 dem Team um Dr. Sebastian Schmitt und Prof. Dr. Silke Christiansen gelungen. Aus Australien hatten sie einen Silizium-Wafer erhalten, der mit einer überraschend kristallinen Germaniumschicht bedeckt war. Germanium besitzt nahezu die gleiche Gitterkonstante wie Galliumarsenid und bietet sich daher als ideale Unterlage an.

Nanokristalle auf Nadeln

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, Erstautor der Arbeit, die nun in Advanced Optical Materials erschienen ist.

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 Rhombendodekaeder - jede der zwölf Flächen ein identischer Rhombus.  

Entscheidende Parameter: Geometrie und Größe

Tatsächlich zeigte 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.

Neuartige Sensoren, LED oder Solarzellen

„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.

Zur Publikation in Advanced Optical Materials (2018):"Germanium template assisted integration of gallium arsenide nanocrystals on silicon: a versatile platform for modern optoelectronic materials"; S. W. Schmitt, G. Sarau, C. Speich,G. H. Döhler, Z. Liu, X. Hao, S. Rechberger, C. Dieker, E. Spiecker, W. Prost, F. J. Tegude, G. Conibeer, M. A. Green and S. H. Christiansen.

Doi: 10.1002/adom.201701329