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Nanotechnisch

Untersuchung der molekularen Strahlenepitaxie (MBE) zur Integration von III-V-Halbleitermaterialien in traditionelle Siliziumarchitekturen

2016 q1 nanoscientific molecular beam 1

Dr. Christoph Friedrich Deneke, LNNano, Brazilian Nanotechnology National Laboratory,
mit dem Park NX 10 im LNNano Surface Science Lab

"Wir mögen die neue Smartscan-Software. Mit ihr ist es sehr einfach, Standard-RKM-Abbildungen in hoher Qualität zu erhalten. Darüber hinaus ist die hohe Flexibilität des Park NX10 (eines unserer drei Rasterkraftmikroskope) für uns sehr wichtig. Die Verfügbarkeit verschiedener Techniken sowie drei integrierte Trägerfrequenzverstärker machen das NX10 zum Mikroskop der Wahl für EFM-Messungen und kapazitive Kopplungstechniken."

 

2016 q1 nanoscientific molecular beam 3Bildunterschrift: Park NX 10 Rasterkraftmikroskp bei LNNano, Surface Science Group

 

Auf welche wissenschaftliche Disziplin konzentrieren Sie sich und welche Art von Forschung betreiben Sie?

Unsere Gruppe im Brazilian Nanotechnology National Laboratory (LNNano) ist verantwortlich für Rastersondenmikroskopie. Das Labor dient der gemeinsamen Benutzung von Geräten und betreibt auch eigene Forschung. Deshalb sind wir breit gefächert und unser Interesse reicht von der Physik der kondensierten Materie mit Schwerpunkt auf Halbleiterepitaxie bis hin zur generellen Werkstoffkunde und der Oberflächencharakterisierung von Proben unserer Benutzer. Wir untersuchen im Detail die Bildung von selbst organisierten Nanostrukturen auf Membranen mit dem InGaAs-System, arbeiten aber auch an generellen Rastersondenmikroskopietechniken, von der magnetischen Charakterisierung von Stahl bis hin zur elektrischen Charakterisierung von Systemen wie Graphenoxid oder Polymeren aus Zellulose.

 

Können Sie Vorteile Ihrer Forschung beschreiben?

Unsere laborinterne Forschung ist auf der Molekularstrahlepitaxie (MBE) fokussiert. Wie bereits vor einigen Jahren in einem Artikel in Nature Nanotechnology erwähnt, ist MBE eine der grundlegenden Techniken in der Nanotechnologie. Sie ermöglicht perfektes Kristallwachstum verschiedener Halbleitermaterialien aufeinander zu sogenannten Heterostrukturen. Diese Strukturen werden heutzutage zur Herstellung von qualitativ hochwertigen elektrischen, optischen und elektrooptischen Bausteinen wie Laser und Heterojunction-Bipolar-Transistoren verwendet.

Wir untersuchen das Wachstum von Halbleiterheterostrukturen im III-V-System. In der klassischen Epitaxie werden Bulk-Halbleiter-Wafer für die Materialabscheidung eingesetzt - wir möchten konforme, extrem dünne Halbleitermembranen als Substrate verwenden. Unsere Untersuchungen begannen mit grundlegenden Fragestellungen zum Wachstum, einfach um zu verstehen, wie sich das Material auf diesen neuartigen Substraten verhält. Am Ende war unser Ziel die Schaffung von bereits bekannten Gerätestrukturen im III-V-System.

Wir hoffen, dass diese kompatiblen Untergründe eine neue Klasse von Halbleiterbauelementen ermöglichen. Wir denken, dass wir heterogene Strukturen herstellen können, die nicht auf den üblichen Bulk-Wafer-Substraten aufgebaut werden können.

 

Warum ist Ihre Arbeit für die heutige Gesellschaft wichtig?

Der Trend in der modernen Computer- und Halbleitertechnologie verlangt immer stärkere Integration. Darüber hinaus müssen wir den Energiebedarf reduzieren, erstens für die Umwelt, aber auch für den Nutzer - jeder beschwert sich doch, dass das Handy die Batterie zu schnell entleert, oder nicht? Wir hoffen, diesen Anforderungen mit unserer Forschung gerecht zu werden. Wir brauchen Computer, die weniger Energie verbrauchen. Wir wollen die Integration verbessern und die Produktion weniger ressourcenintensiv machen.

Unsere Arbeit im Zentrallabor hilft der brasilianischen Gesellschaft durch die Ausbildung einer neuen Generation brasilianischer Forscher. Wir unterstützen auch die Forschungsgemeinschaft beim Sammeln von wissenschaftlichen Ergebnissen.

 

2016 q1 nanoscientific molecular beam 4Dr. Christoph Friedrich Deneke mit Studenten des LNNano

Wie setzen Sie Rasterkraftmikroskope bei Ihrer Arbeit ein?

Für unsere interne Forschung verwenden wir RKM hauptsächlich für topografische Aufnahmen von Proben nach der Materialablagerung. Sie ist unser Standardwerkzeug zur Beurteilung der Probenqualität, zur Charakterisierung des Diffusionsverhaltens des hinterlegten Materials und für das Verständnis der Parameter beim epitaxialen Wachstum.

Für unsere Benutzer bieten wir eine Vielzahl von RKM-Techniken an, wobei die elektrische Kraftmikroskopie oder die Kelvinkraftmikroskopie die wichtigen sind. Im letzten Jahr haben wir begonnen, an der Kapazitätskopplung zu arbeiten. Das gibt uns weitere Einsicht in die Proben.

 

2016 q1 nanoscientific molecular beam 5

 

Welche Eigenschaften der Park Rasterkraftmikroskope, denken Sie, sind für den Erfolg Ihrer Arbeit am wichtigsten?

Wir mögen die neue Smartscan-Software. Mit ihr ist es sehr einfach, Standard-RKM-Abbildungen in hoher Qualität zu erhalten. Darüber hinaus ist die hohe Flexibilität des Park NX10 (eines unserer drei Rasterkraftmikroskope) für uns sehr wichtig. Die Verfügbarkeit verschiedener Techniken sowie drei integrierte Trägerfrequenzverstärker machen das NX10 zum Mikroskop der Wahl für EFM-Messungen und kapazitive Kopplungstechniken.

 

Wie können die aktuellen Methoden weiter verbessert werden?

Die Entwicklung von benutzerfreundlichen Schnittstellen und Software ist sehr wichtig. Wir haben viele Benutzer aus - nennen wir es - nicht-traditionellen RKM-Bereichen wie Zahnärzte, organische Chemiker oder Archäologen. Während die neue Smartscan Software ein sehr einfaches Interface bietet und somit einen einfachen Zugang zu RKM bietet, vermissen wir die gleiche Funktionalität für Techniken wie MFM oder EFM. Derzeit unterstützen wir diese Forscher mit Erfassung und Auswertung von Daten, aber mit Software und einfachen Schnittstellen wären diese Methoden eine völlig neue Gruppe von Benutzern zugänglich.

 

Welche Bereiche der Wissenschaft werden von Ihrer Forschung profitieren?

Wir tragen vor allem zum allgemeinen Verständnis in der Nanowissenschaft und der Nanotechnologie sowie der Halbleiterwissenschaft bei. Wir vertiefen das Verständnis, wie man selbst organisierende Nanostrukturen in funktionale Halbleiterbauelemente integriert.

 

Wie kann Ihre Forschung in der Industrie angewendet werden?

Die Halbleiterindustrie tut sich schwer mit der Integration von III-V-Material in klassische Siliziumarchitekturen. Wir alleine werden dieses Problem nicht lösen - einfach wegen der enormen Komplexität der Herstellung von Computerchips und Speichergeräten - wir hoffen jedoch, aufzeigen zu können, wie man dies in der Zukunft erreichen könnte.

 

Welche zukünftigen Entwicklungen sehen Sie in Ihrem Forschungsgebiet?

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass MBE und Halbleiterepitaxie das Rückgrat der Nanotechnologie und Informationsverarbeitung sind. Ich nehme an, sie werden ihre Rolle dort beibehalten. Wir müssen weitere Generationen von Halbleiterherstellern ausbilden, nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Industrie. Es zeigt sich eine Verlagerung weg von der Grundlagenforschung hin zur eher angewandten Forschung.