Weltweit wird nach Wegen gesucht, das Leistungsvermögen von Chips auf anderem Wege zu steigern. Als eine Alternative gilt die Integration von sogenannten III-V-Halbleitern, wie sie nun Slawomir Prucnal und Wolfgang Skorupa gemeinsam mit ihren Kollegen vom HZDR gelungen ist. „Indiumarsenid besitzt eine extrem hohe Elektronenbeweglichkeit“, erklärt Slawomir Prucnal, Postdoktorand von der Marie Curie-Sklodowska Universität in Lublin. Die Elektronen bewegen sich 30-mal schneller durch das Material als in einem Silizium-Wafer. Man kann also viel schnellere Bauteile erhalten.

„Außerdem reicht eine geringere Betriebsspannung“, ergänzt Wolfgang Skorupa, Leiter der Abteilung Halbleitermaterialien im HZDR. „Das senkt den Stromverbrauch und führt zu deutlich geringeren Wärmeverlusten.“ Die Quantenpunkte aus Indiumarsenid werden am HZDR als winzige Pyramiden – Kantenlängen zwischen 40 und 80 Nanometern – auf freistehenden Siliziumsäulen erzeugt. Legt man an diese Anordnung eine Spannung an, verhält sie sich wie eine Diode. Das Halbleitermaterial Indiumarsenid ermöglicht nicht nur höhere Taktfrequenzen und stromsparende Transistoren, sondern kann vor allem auch in der Optoelektronik genutzt werden. Denn die III-V-Halbleiter sind gute Werkstoffe für effiziente Laser. Überträgt man die Signale zwischen und auf den Chips nicht mehr elektrisch, sondern optisch, sind bedeutend schnellere Übertragungsraten möglich. Daher werden nun am HZDR  weitere Halbleiterverbindungen getestet wie Indiumphosphid und Galliumarsenid, die Licht mit kürzerer Wellenlänge abstrahlen und daher noch besser als Indiumarsenid für photonische Anwendungen geeignet sind.

III-V-Halbleiter wie Indiumarsenid gelten in Kombination mit Silizium gilt als sehr vielversprechend für die Mikroelektronik. Bislang wurden solche Strukturen  durch die sogenannte Molekularstrahlepitaxie erzeugt, bei der man die Fremdstoffe auf den Wafer quasi aufdampft. Dieser Prozess ist nicht kompatibel mit den üblichen Fertigungsverfahren der Halbleiter-Industrie. Zur Herstellung der Quantenpunkte aus Indiumarsenid werden Ionenbeschleuniger eingesetzt, die in der Chipfertigung beispielsweise auch beim Dotieren eingesetzt werden. Mit diesen Geräten implantieren sie Arsen- und Indium-Ionen in die Oberfläche des Siliziums. In einem zweiten Schritt sorgen eine Blitzlampenausheilung dafür, dass sich die Ionen zu winzigen Inseln zusammenlagern. Zunächst erwärmen sie den Silizium-Wafer auf etwa 700 Grad, um mechanische Spannungen auszuschließen. Dann werden für 20 Millisekunden leistungsstarke Xenonlampen eingeschaltet, die die Scheibe auf 1.200 Grad erhitzen. „Diese Temperatur liegt oberhalb des Schmelzpunktes von Indiumarsenid“, erläutert Slawomir Prucnal.

„Ein kurzer Blitz genügt, und die Nanopyramiden kristallisieren mittels Flüssigphasenepitaxie von selbst im Silizium“. Beim letzten Prozessschritt werden diese Pyramiden freigelegt. Dazu ätzt man die Oberfläche des Wafers mit Kaliumhydroxid. Weil Indiumarsenid von der Lauge nicht angegriffen wird, können die Forscher auf eine Maske verzichten. Lediglich das Silizium wird durch das Kaliumhydroxid abgetragen, sodass am Ende die Quantenpunkte aus Indiumarsenid auf kleinen Siliziumsäulen, die etwa 100 Nanometer hoch sind, übrig bleiben.