Zusammenfassung
Hexagonaler SiGe-Halbleiter sind ein vielversprechendes Material für die Optoelektronik – zur nahtlosen Verbindung von Elektronen- und Photonen-Technologie. Unter extrem hohem Druck und Temperaturen über 1.500 Grad Celsius gelang einem Team um George Serghiou von der University of Edinburgh in Schottland und Hans J. Reichmann vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) die Synthese des Materials. Dafür nutzten sie u.a. laserbeheizte Diamantstempelzellen und Multi-Anvil-Pressen, wie sie für geowissenschaftliche Experimente gebräuchlich sind. Die Veröffentlichung im Fachmagazin Chemistry – A European Journal wurde als Titelgeschichte gewählt.
Herausforderung Optoelektronik: Materialien für die Verbindung von Licht und Strom
Elektronen und Photonen, also Strom und Licht, sind die Grundbausteine der heutigen IT-Systeme. Eine zentrale Herausforderung in der Optoelektronik besteht seit langem darin, eine nahtlose Kommunikation zwischen strom- und lichtleitenden Systemen zu entwickeln. Zwei entscheidende Kriterien muss ein Material erfüllen, damit in Bauelementen solch ein Übergang zwischen Elektronen- und Photonen-Technologie erreicht werden kann: Der Werkstoff sollte in seiner elektronischen Struktur eine direkte Bandlücke aufweisen, was für eine effiziente Lichtemission notwendig ist, und er sollte chemisch kompatibel mit Silizium sein, denn halbleitendes Silizium mit kubischer Diamantgitter-Struktur ist nach wie vor der wichtigste Grund-Werkstoff in der Elektronik- und Informationsindustrie. Allerdings besitzt Silizium selbst keine direkte, sondern eine indirekte Bandlücke, was eine ineffiziente Lichtemission zur Folge hat.
Vielversprechender Ansatz: die Kombination von Silizium und Germanium in hexagonaler Struktur
Für die Entwicklung von Halbleitern mit direkter Bandlücke werden unter anderem verschiedene Materialien miteinander verbunden. Neuere Arbeiten zeigen, welche Bedeutung zum Beispiel hexagonale Silizium-Germanium (SiGe)-Halbleiter für die Kombination von Elektronik und Photonik haben können. Konkret wurden im Rahmen einer Studie von Fadaly et al. (2020) 0,0005 Millimeter dicke Nanodrähte aus SiGe mit einer hexagonalen Symmetrie hergestellt, die direkte Bandlücken aufweisen. Sie wurden auf einer Matrix von Gallium-Arsenit (GaAs)-Nanodraht-Kernen gefertigt. In der Studie betonen die Forschenden allerdings, dass es notwendig sei, größeres (makroskopisches) matrixfreies, hexagonal kristallisiertes SiGe herzustellen.
SiGe-Synthese mittels hohem Druck und Temperaturen
Genau hieran hat die internationale Forschungsgruppe um George Serghiou von der University of Edinburgh in Schottland und Hans J. Reichmann vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) gearbeitet. In einer Studie, die im Fachjournal Chemistry A European Journal erschienen ist, dokumentieren die Autoren die Synthesebedingungen von hexagonalem, binärem SiGe – Halbleiter.
Wesentliche Voraussetzung hierfür waren modernste Synthesemethoden unter hohen Drücken von 12 bis 17 Giga-Pascal (120 bis 170 Kbar) und Temperaturen über 1500 Grad Celsius (~1800 K). Die Herstellung des Materials erfolgte mittels laserbeheizten Diamantstempelzellen und Multi-Anvil-Pressen, wie sie für geowissenschaftliche Experimente gebräuchlich sind. Zur Analyse der Proben wurden Techniken wie Synchrotron basierte, winkeldispersive Röntgenbeugung, Präzessionselektronenbeugung und Elektronenmikroskopie verwendet.
Erfolgreicher Ansatz für die gezielte Manipulation der optoelektronischen Eigenschaften
Dem Forschungsteam gelang es, neue, matrixfreie, etwa 1 Millimeter große SiGe-Materialien mit hexagonalem Gitter zu synthetisieren. Die Proben zeigen verschiedene Typen hexagonaler SiGe-Kristalle mit unterschiedlichen Stapelfolgen der Kristallebenen. Dies ist deshalb bedeutsam, weil die Bandlücke nicht nur als Funktion der chemischen Zusammensetzung des Materials, sondern auch als Funktion dieser Stapelfolge möglicherweise gezielt manipulierbar ist. Das könnte ein viel versprechender Ansatz sein, die Bandlücke und die optoelektronische Eigenschaft gezielt einzustellen.
Originalstudie: Hexagonal Si-Ge Class of Semiconducting Alloys Prepared Using Pressure and Temperature.
George Serghiou, Nicholas Odling, Hans Josef Reichmann, Gang Ji, Monika Koch-Müller, Daniel J. Frost, Jonathan P. Wright, Reinhard Boehler and Wolfgang Morgenroth Chem. Eur. J. (2021); DOI: 10.1002/chem.202102595
