DE10019712A1

DE10019712A1 - Verfahren zur Herstellung von periodischen Materialstrukturen

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Publication number: DE10019712A1
Application number: DE10019712A
Authority: DE
Inventors: Oliver G Schmidt; Karl Eberl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Das Verfahren beruht darauf, daß ein beliebiges, periodisch zu strukturierendes Material auf die Hauptoberfläche eines Substrats abgeschieden wird, während die Substratoberfläche mit einer stehenden Oberflächenwelle beaufschlagt wird, die durch Überlagerung zweier entgegengerichteter Oberflächenwellen erzeugt wird, die beispielsweise mittels kammartiger Elektrodenstrukturen unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes auf die Hauptoberfläche eingekoppelt werden. Es ist damit zu rechnen, daß bei den meisten Abscheidungsprozessen eine Anlagerung des abgeschiedenen Materials an bestimmten Orten der Periodizität der stehenden Oberflächenwelle oder zweier sich unter einem Winkel überlagernder stehender Oberflächenwellen erfolgt. Mit diesem Verfahren können beispielsweise draht- oder clusterförmige Halbleiterstrukturen, insbesondere Quantendrähte oder Quantenpunkte, in ein umgebendes Halbleitermaterial eingebettet werden. Die Erfindung kann auch auf andere als auf Halbleiterbauelemente angewandt werden, wobei die Strukturen auch größer sein können als für Quantendrähte oder Quantenpunkte erforderlich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung einer periodischen Anordnung von Materialstrukturen und eine mit dem Verfahren hergestellte Einrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung dabei auf nach dem Verfahren her gestellte Halbleitereinrichtungen und Halbleiterbauelemente, in denen derartige periodische Anordnungen von Materialstruk turen zum Einsatz kommen. Die Erfindung bezieht sich jedoch ebenso auf andere Einrichtungen, bei denen periodische Mate rialstrukturen aus magnetischen oder anderen Materialien zur Anwendung kommen.

Periodische Festkörperstrukturen spielen eine zentrale Rolle in allen Bereichen der Mikro- und Nanoelektronik. Als wich tigstes Beispiel seien Speicherbauelemente in Computern ge nannt, die aus Milliarden von periodisch angeordneten Tran sistor/Kondensatorzellen bestehen. Dabei spielt die Methodik zur periodischen Anordnung eine zentrale Rolle. Bei Speicher bauelementen ist es die Lithographie, mit der die periodi schen Strukturen prozessiert werden. Für viele Anwendungen ist es jedoch von großem Vorteil, die periodische Anordnung während einer Schichtabscheidung auf einer Festkörperoberflä che zu generieren und im Gegensatz zur Lithographie nicht erst nach der Schichtabscheidung die Periode zu erzeugen.

Wenn die Größe der periodisch angeordneten Strukturen eine gewisse kritische Größe unterschreitet, bei der Quantenphäno menen eine entscheidende Rolle spielen, so spricht man von Quantenstrukturen (Quantentöpfe, Quantendrähte, und Quanten punkte), die in den letzten Jahren eine immer gewichtigere Rolle spielen. Die periodische Anordnung von größeren Struk turen im µm- oder gar mm-Bereich spielt jedoch eine ebenso wichtige Bedeutung.

Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleiter-Optoelektronik.

Seit einiger Zeit wird im Stand der Technik mit unterschied lichsten Methoden versucht, auf kontrollierte Art und Weise mikroskopisch kleine, in Größe und chemischer Zusammensetzung uniforme Halbleiterquantendrähte oder Halbleiterquantenpunkte in einer umgebenden Halbleitermatrix anzuordnen, wobei diese eine niedrigere Energielücke aufweisen als die Halbleiterma trix.

Die im Stand der Technik bekannten Präparationsverfahren nut zen selbstorganisiertes Wachstum von Inselstrukturen beim gitterfehlangepaßten Aufwachsen einer Halbleiterschicht auf ein aus einem anderen Material bestehendes Halbleitersubstrat aus. In der EP 0 437 385 A wird beispielsweise das Wachstum von InAs-Wachstumsinseln auf einer GaAs-Unterlage beschrie ben. Aufgrund der Gitter-Fehlanpassung bildet sich dabei zu nächst eine dünne InAs-Benetzungsschicht aus, oberhalb der ein weiteres Aufwachsen von InAs zur spontanen Ausbildung von mikroskopischen Inselstrukturen führt. Auf der Basis dieser Experimente konnten bereits im Labormaßstab Quantenpunktlaser mit sehr gutem Schwellstromverhalten hergestellt werden.

Mittlerweile zeigt sich jedoch immer mehr, daß durch selbstorganisiertes Wachstum das große Potential niedrigdi mensionaler Materialstrukturen aus mehreren Gründen nicht ausgeschöpft werden kann. Zum einen ist die Größenfluktuation der aufgewachsenen Mikrostrukturen zu groß, so daß die Ener gieniveaus der quantisierten Zustände über einen großen Ener giebereich ausgedehnt sind, und die gewünschten Quanteneffek te bis zur Unkenntlichkeit ausgeschmiert sind. Zum anderen ist es mit selbstorganisiertem Wachstum nicht möglich, die niedrigdimensionalen Wachstumsbereiche mit gezielter Periodi zität anzuordnen. Dadurch wird die Fertigung komplexerer Bau elemente erheblich erschwert, da nachfolgende Prozeßschritte lediglich auf Zufallsbasis erfolgen können.

Schließlich ist selbstorganisiertes Wachstum auch nur bei be stimmten Wachstumsprozessen, d. h. bestimmten Kombinationen zwischen Substratmaterialien und Wachstumsmaterialien, mög lich, so daß ein für niedrigdimensionale Strukturen gewünsch tes Halbleitermaterial von vornherein nicht auf jedes belie bige Substrat aufgebracht werden kann.

Dieselben Schwierigkeiten sind zu erwarten, wenn andere Mate rialien wie beispielsweise magnetische oder magnetisierbare Materialien als niedrigdimensionale Strukturen auf dafür vor gesehenen Substraten abgeschieden werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer periodischen Anordnung eines Materials oder mehrerer verschiedener Materialien mit ein stellbarer Periodizität bereit zu stellen. Durch das Verfah ren soll darüber hinaus ein Wachstum der Bereiche mit ein stellbaren Abmessungen ermöglicht werden, um beispielsweise bei Verwendung von Halbleitermaterialien andere Energieni veaus für Leitungs- und Valenzelektronen zu erreichen. Das Verfahren soll weiterhin gezielt auf die Herstellung von Bau elementen, insbesondere Halbleiterbauelementen ausgerichtet werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen be schrieben. In den Erzeugnisansprüchen sind durch das Verfah ren hergestellte Einrichtungen wie Halbleiter- oder Spei chereinrichtungen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren löst die gestellte Aufgabe da durch, daß auf einem bereitgestellten Substrat, auf welchem eine Schichtabscheidung erfolgen soll, mindestens eine ste hende Oberflächenwelle auf einer Hauptoberfläche des Sub strats erzeugt wird und das gewünschtermaßen zu strukturie rende Material auf die mit der stehenden Oberflächenwelle be aufschlagte Hauptoberfläche aufgebracht wird.

Wie noch zu sehen sein wird, kommt dabei dem Begriff Substrat eine umfassende Bedeutung zu. Im einfachsten Fall ist das Substrat eine aus einem einzigen Material bestehende Unterla ge wie ein Halbleiterwafer, auf welchem die Strukturen er zeugt werden sollen. In komplizierteren Fällen der Herstel lung bestimmter Bauelemente kann das Substrat jedoch eine Mehrzahl von Schichten unterschiedlicher Funktionen aufwei sen, auf die dann in einem weiteren Herstellungsschritt peri odische Strukturen aufgebracht werden sollen.

Die stehende Oberflächenwelle kann man sich als eine akusti sche Oberflächenwelle vorstellen, bei der die Substratober fläche in den Richtungen transversal und/oder longitudinal zur Ausbreitungsrichtung der Welle zu Schwingungen angeregt wird. Bei einer transversal-akustischen Oberflächenwelle wird die Substratoberfläche in senkrechter Richtung zur Ausbrei tungsrichtung der Welle zu Schwingungen angeregt, während bei einer longitudinal-akustischen Welle die Auslenkung als Deh nung und Kompression des atomaren Gefüges in Ausbreitungs richtung der Oberflächenwelle stattfindet. In der Praxis ist zu erwarten, daß die eigentliche Oberflächenwelle durch eine Mischform zwischen diesen beiden grundsätzlichen Arten von Oberflächenwellen gebildet wird. Eine derartige Mischform ist beispielsweise eine sogenannte Rayleigh-Welle, bei der die Atome der Oberfläche sich auf kreis- oder ellipsenförmigen Bahnen bei der Schwingung bewegen.

Die Überlagerung zweier entgegengerichteter ebener Wellen führt in jedem Fall zu einer stehenden Welle, bei der Wellen bäuche maximaler Amplitude gebildet werden, zwischen denen sich Wellenknoten befinden, an denen keine oder deutlich kleinere Auslenkung stattfindet.

Die Erzeugung der stehenden Oberflächenwelle erfolgt z. B. derart, daß zwei Oberflächenwellen gleicher Frequenz und Wel lenlänge sowie entgegengesetzter Richtung einander überlagert werden. Wenn diese Oberflächenwellen ebene Wellen sind, er gibt sich ein zweidimensionales, streifenförmiges Muster ei ner stehenden Oberflächenwelle, bei der sich die Wellenbäu che, d. h. die Orte maximaler Schwingungsamplitude als peri odisch voneinander beabstandete Linien über die Hauptoberflä che des Substrats erstrecken. Der Abstand zwischen den Wel lenbäuchen wird durch die halbe Wellenlänge der einzelnen Oberflächenwellen bestimmt. Während der Wellenbewegung nehmen die Wellenbäuche und andere zwischen den Wellenknoten liegen den Punkte veränderliche Werte der Gitterkonstanten, Oberflä chenenergie, etc. an und möglicherweise sind diese Werte auch im zeitlichen Mittel der Wellenbewegung gegenüber den Werten in der Ruhelage verändert. Dies läßt erwarten, daß das bei einem Wachstumsprozeß aufgebrachte Material sich an bestimm ten Orten der periodischen Struktur bevorzugt abscheidet, an denen die Abscheidung unter den energetisch günstigsten Be dingungen stattfinden kann. Im Falle der Halbleiter- Heteroepitaxie beispielsweise ist zu erwarten, daß das Wachs tum vorzugsweise dort stattfindet, wo sich eine gemittelte oder momentane Gitterkonstante des Substratmaterials ergibt, die der Gitterkonstante des aufzuwachsenden Halbleitermateri als entspricht. Es ist jedoch nicht vorherzusagen, ob die Atome tatsächlich im zeitlichen Mittel veränderte Oberflä chenverhältnisse für ein örtlich selektives Wachstum benöti gen, oder ob sie an den Stellen selektiv nukleieren, an denen die Oberfläche an bestimmten Zeitpunkten der Wellenbewegung der Gitterkonstanten des aufzuwachsenden Materials am besten entspricht.

Durch die Einstellung der Frequenz und Wellenlänge der sich überlagernden Oberflächenwellen kann die Periodizität der stehenden Oberflächenwelle gezielt eingestellt werden. Ferner kann erwartet werden, daß durch Einstellung der Wachstumszeit Größe und Abmessungen der ein- oder nulldimensionalen Materi alstrukturen eingestellt werden kann.

Bisher wurde beschrieben, wie eine einzige stehende Oberflä chenwelle erzeugt werden kann. Durch diese können Material strukturen wie beispielsweise Halbleiter-Drähte oder Ketten von Materialclustern hergestellt werden. Wenn eine geordnete Matrix von Materialclustern erzeugt werden sollen, so müssen lediglich zwei stehende Oberflächenwellen mit einem Winkel zueinander zur Überlagerung gebracht werden. Wenn nun ein Wachstumsprozeß durchgeführt wird, so ist zu erwarten, daß das aufzuwachsende Material sich bevorzugt an bestimmten Punkten einer durch die zwei stehenden Oberflächenwellen ge bildeten Schwingungsmatrix anordnen wird. Wenn also ein Halb leitermaterial mit einer bestimmten Gitterkonstante auf ein anderes Halbleitermaterial mit einer anderen Gitterkonstante aufgebracht werden soll, so wird es sich bevorzugt an solchen Orten anlagern, an denen im zeitlichen Mittel oder zu be stimmten Zeitpunkten der Wellenbewegung der sich überlagern den stehenden Oberflächenwellen eine Gitterkonstante ein stellt, die der Gitterkonstante des aufzuwachsenden Halblei termaterials entspricht. Solchermaßen kann eine periodische, nämlich matrixförmige Anordnung von Halbleiter-Wachstums inseln auf einem im Prinzip beliebigen Substrat her gestellt werden. Auch hier kann die Größe der Wachstumsinseln durch die Wachstumszeit bestimmt werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf Halbleitermaterialien beschränkt. Im Prinzip kann jede andere Art von Materialien auf beliebigen Substraten zu periodischen Materialstrukturen geformt werden. Das Grundprinzip, nach dem sich die aufzu wachsenden Materialien bevorzugt an solchen Orten der schwin genden Substratoberfläche anlagern, an denen das Wachstum aufgrund des gemittelten oder momentanen Schwingungs- und Oberflächenzustandes energetisch am günstigsten ist, ist uni versal und läßt das Aufwachsen periodischer Materialstruktu ren nicht nur bei Halbleitermaterialien, sondern bei beliebi gen anderen Materialien erwarten.

Zur Erzeugung einer stehenden Oberflächenwelle auf der Sub stratoberfläche müssen zwei entgegengerichtete Oberflächen wellen erzeugt werden. Die Oberflächenwellen können grund sätzlich auf zwei verschiedene Arten generiert werden. Zum einen können extern erzeugte akustische Wellen der Oberfläche durch ein Medium wie Umgebungsluft oder einen akustischen Wellenleiter zugeführt werden. Bevorzugtermaßen werden jedoch der Substratoberfläche periodische elektromagnetische Signale zugeführt und mittels des piezoelektrischen Effektes in Ober flächenwellen umgewandelt. Zur Erzeugung einer stehenden Oberflächenwelle werden somit an zwei Abschnitten einer Hauptoberfläche des Substrats periodische elektromagnetische Signale gleicher Frequenz zugeführt und piezoelektrisch in zwei in entgegengesetzter Richtung propagierende und sich überlagernde Oberflächenwellen umgewandelt.

Eine besonders bevorzugte, derzeit jedoch noch nicht reali sierte Ausführungsform sieht vor, daß die elektromagnetischen Signale, die beispielsweise einem Sinusgenerator entstammen können, als frei propagierende elektromagnetische Strahlung den zwei Abschnitten der Hauptoberfläche zugeführt werden, bei denen sie durch den piezoelektrischen Effekt in mechani sche Oberflächenschwingungen umgewandelt werden. Eine derzeit praktizierbare Ausführungsform sieht jedoch vor, daß im Un terschied dazu die elektromagnetischen Signale über Signalzu führungsleitungen zugeführt werden, wobei die Signalzufüh rungsleitungen an ihrem Ausgang mit elektrischen Kontakt schichten verbunden sind, die auf der Hauptoberfläche oder gegebenenfalls darauf aufgebrachten piezoelektrischen Schich ten aufgebracht sind, und die elektromagnetischen Signale in die Hauptoberfläche oder in die piezoelektrischen Schichten eingekoppelt werden.

Das Substrat ist dabei entweder selbst piezoelektrisch wie beispielsweise GaAs, oder anderenfalls müssen auf seiner Hauptoberfläche piezoelektrische Schichten aufgebracht wer den, durch die infolge der Zuführung der elektromagnetischen Signale mechanische Oberflächenschwingungen erzeugt werden können.

Nach Erzeugung der periodischen Materialstrukturen wird zu nächst die Materialzufuhr des aufzuwachsenden Materials been det und anschließend die Einkopplung der Oberflächenwellen beendet. Anschließend kann gewünschtenfalls auf die erzeugten Strukturen eine Deckschicht aufgebracht werden, so daß die Strukturen allseits von einem Einbettungsmaterial umgeben sind. Die Deckschicht kann dabei aus dem gleichen Material bestehen wie das Substrat. Beispielsweise können auf diese Art InAs-Quantenpunkte oder -Quantendrähte in einer umgeben den GaAs-Matrix erzeugt werden. Da die Größe der InAs-Bereiche durch das Wachstumsverfahren wie beschrieben steuer bar ist, können auf diese Weise Halbleiterlaser oder Halblei terphotodetektoren hergestellt werden, die in den für die op tische Kommunikationstechnologie wichtigen Wellenlängenberei chen 1,3 µm und 1,55 µm funktionsfähig sind.

Die einzelnen Verfahrensschritte können auch mehrmals nach einander iterativ durchgeführt werden, so daß eine dreidimen sionale Anordnung mehrerer Schichten von Quantendrähten oder Quantenpunkten erzeugt werden kann. Dabei wird nach jeder Ab scheidung einer Schicht aus periodischen Materialstrukturen eine die Strukturen einbettende Deckschicht aufgebracht, wor auf im nächsten Schritt das Verfahren erneut durchlaufen wird, indem eine oder mehrere stehende Oberflächenwellen ge neriert werden und die nächste Schicht aus periodischen Mate rialstrukturen aufgewachsen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Herstellung einer Vielzahl denkbarer Bauelemente geeignet.

Dazu zählen neben den bereits erwähnten Halbleiterlasern und Halbleiterphotodetektoren auch Halbleiter-Speicherbauelemente wie beispielsweise Floating-Gate-Speicher, magnetische Spei cher, Präge- oder Druckeinrichtungen zum Zwecke der Struktu rierung anderer Oberflächen sowie Halbleiterbauelemente mit relaxierten Pufferschichten. Generell dient die Erfindung auch der Herstellung solcher Halbleiterbauelemente, bei wel chen der Stromtransport zwischen den periodischen Strukturen stattfindet. Weiterhin können durch das erfindungsgemäße Ver fahren neue Wellenlängenbereiche in Halbleiterlasern oder Halbleiterphotodetektoren erschlossen werden. So ist bei spielsweise wie oben beschrieben vorstellbar, daß durch eine Nukleation von periodischen InAs-Inseln auf GaAs die für die optische Kommunikation wichtige Wellenlänge bei 1,55 µm sowie andere gewünschten Wellenlängen erreichbar sind. Das erfin dungsgemäße Verfahren ist ferner zur Herstellung solcher Bau elemente geeignet, bei der die genaue Position der herge stellten periodischen Strukturen für eine weitere Prozessie rung bekannt sein muß.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeich nungsfiguren näher erläutert, in denen unter anderem einige der Anwendungsbeispiele schematisch skizziert sind.

Es zeigen:

Fig. 1(a)-(g) eine schematische Zustandsbeschreibung einer GaAs-Oberfläche, die zum Zwecke des Aufwach sens von Halbleitermaterialien einer stehenden Oberflächenwelle ausgesetzt wird;

Fig. 2 eine Anordnung von elektrischen Kontaktschich ten auf einer Substratoberfläche zur Erzeugung zweier ebener entgegengerichteter Oberflächen wellen;

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung ei nes Halbleiter-Quantendrahtlasers;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung ei nes Distributed-Feedback(DFB)-Lasers;

Fig. 5 eine dreidimensionale Anordnung von Mate rialclustern mit schichtweise alternierenden Materialien A und B unterschiedlicher Bre chungsindizes n_A und n_B.

In der Fig. 1(a) ist zunächst eine GaAs-Oberfläche zum Zeit punkt t = 0, also unmittelbar vor dem Einschalten der stehenden Oberflächenwelle dargestellt. In den Teilbildern (b) bis (d) sind die Oberflächenzustände zweier Wellenbäuche zu den drei Zeitpunkten t = 1/4P, 1/2P, 3/4P dargestellt. In Fig. 1(b) wur de die stehende Oberflächenwelle erzeugt und der Zeitpunkt nach einer Viertelperiode t = 1/4P festgehalten. Zu diesem Zeitpunkt ist die Oberfläche mechanisch deformiert und es existieren Bereiche, in denen die Oberfläche dehnungsver spannt ist, d. h. die Gitterkonstante ist gegenüber Fig. 1(a) in diesen Bereichen um einen gewissen Betrag vergrößert. Nach t = 1/2P ist die Oberfläche wieder in dem unverspannten Zu stand. Nach t = 3/2P (Fig. 1(d)) erhält man ein ähnliches Bild wie in Fig. 1(b), mit dem einzigen Unterschied, daß sich die Phase um 180° verschoben hat.

In der Auftragung der zeitlich integrierten Verspannungsener gie der Oberfläche (Fig. 1(e)) ist lediglich beispielshalber veranschaulicht, daß die Verspannungsenergie mit der Periode der stehenden Oberflächenwelle moduliert ist. Tatsächlich ist noch nicht bekannt, ob das Maximum der Verspannungsenergie im Zentrum der Wellenbäuche oder an einem anderen Punkt liegt.

In der Fig. 1(f) ist eine zeitlich gemittelte GaAs-Oberfläche abgebildet, auf der z. B. GaAs- oder AlAs-Atome abgeschieden worden sind. Da es sich hierbei um Atome mit gleicher Gitter konstante wie das Substrat handelt, werden sich die Atome be vorzugt an den Knoten anlagern, um die Verspannungsenergie zu minimieren. Betrachtet man jedoch ein Material mit größerer Gitterkonstante, wie beispielsweise InAs in Fig. 1(g), so er wartet man eine Anlagerung der Atome in Bereichen der Wellen bäuche, da dort die Gitterkonstante des Substrats im Mittel oder zu bestimmten Zeitpunkten der Wellenbewegung größer ist als an den Knoten.

Die beschriebenen Beispiele verdeutlichen den universellen Charakter des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist demnach sogar möglich, periodische Inselstrukturen zu erzeugen, die aus Materialien mit gleicher Gitterkonstante und gleicher Oberflächenenergie wie das Substrat bestehen.

Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat 1, welches an gegenüberliegenden Randabschnitten mit elektrischen Kon taktschichten 2 und 3 zur Erzeugung von Oberflächenwellen versehen ist.

Die elektrischen Kontaktschichten 2 und 3 sind entweder di rekt auf ein piezoelektrisches Substrat 1, etwa GaAs-Substrat aufgebracht oder, falls das Substrat 1 keine piezoelektri schen Eigenschaften aufweist, über piezoelektrische Zwischen schichten an die Hauptoberfläche des Substrats 1 angekoppelt. Auf jeder Seite sind elektrische Kontaktschichten 2 und 3 mit den Anschlüssen von Signalzuführungskabeln 4 und 5 (Koaxial kabel oder SMA-Kabel) verbunden. Die Kontaktschichten 2 und 3 bestehen jeweils aus 2 fingerförmig ineinandergreifenden Strukturen 2A und 2B bzw. 3A und 3B, bei denen der Abstand der Finger an die Wellenlängen der zu erzeugenden Oberflä chenwelle angepaßt ist. Derartige Strukturen zur Erzeugung von Oberflächenwellen sind an sich im Stand der Technik be kannt und sollen daher hier nicht näher erläutert werden.

Den Kontaktschichten 2 und 3 werden elektrische Signale aus einer Signalquelle 10, etwa einem Sinusgenerator zugeführt, dessen Ausgang durch eine T-Verbindung geteilt und den Kon taktschichten 2 und 3 zugeführt wird, so daß diese ein elek trisches Signal gleicher Frequenz, Amplitude und Phase erhal ten. Bei geeigneter Phasenlage der beiden Oberflächenwellen zueinander, die beispielsweise durch eine variable Verzöge rungsleitung in einer der beiden Signalzuführungsleitungen einstellbar gemacht werden kann, kann somit durch Überlage rung der entgegengesetzt propagierenden ebenen Oberflächen wellen eine stehende Oberflächenwelle auf der Hauptoberfläche des Substrats 1 erzeugt werden.

Alternativ dazu ist denkbar, die elektromagnetischen Signale ohne Verwendung von Signalzuführungsleitungen als frei propa gierende Strahlung auf das Substrat 1 zu richten, so daß sie an ihrem Auftreffort gegebenenfalls unter Mitwirkung piezo elektrischer Schichten in mechanische Oberflächenschwingungen umgewandelt werden.

Durch die Anordnung der Fig. 2 wird eine einzige stehende Oberflächenwelle erzeugt. Diese erlaubt in einem gleichzeiti gen Wachstumsprozeß das Aufwachsen von eindimensionalen Mate rialstrukturen wie beispielsweise Halbleiter-Drahtstrukturen oder Ketten von Materialclustern. Wenn das Aufwachsen von ei ner Matrix von Halbleiterclustern gewünscht wird, so muß eine zweite stehende Oberflächenwelle generiert werden, die mit der ersten stehenden Oberflächenwelle einen Winkel, bei spielsweise einen 90°-Winkel, einnimmt. In letzterem Fall wird eine matrix- oder schachbrettartige Anordnung von Wel lenbäuchen und -knoten erzeugt, durch die ein Wachstum von Clustern ermöglicht wird. Die zweite stehende Oberflächenwel le kann beispielsweise durch elektrische Kontaktschichten er zeugt werden, die sich an den Längsseiten des Substrats 1 ge genüberliegen.

Als Abscheidungsprozeß kann im Prinzip jedes beliebige Wachs tumsverfahren verwendet werden. Es können einfache und ko stengünstige Verfahren wie beispielsweise physikalische Dampfabscheidung (Sputtern), Dampfphasenabscheidung oder Flüssigphasenabscheidung, angewandt werden. Gleichermaßen können auch aufwendigere jedoch präziser steuerbare Verfahren wie Molekularstrahlepitaxie oder Gasphasenabscheidung oder Mischformen daraus (MOMBE) zum Einsatz kommen.

Da sich die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche unter dem Einfluß der stehenden Oberflächenwelle periodisch ändern, wird erwartet, daß sich abgeschiedene Atome und/oder Moleküle während ihrer Oberflächendiffusionszeit periodisch auf der Oberfläche anordnen können.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist seine hohe Flexibi lität. So kann die stehende Oberflächenwelle zu beliebigen Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Außerdem kann prinzipiell durch Änderung der angelegten Frequenz die Wel lenlänge der stehenden Oberflächenwelle über große Bereiche verändert werden. Dieser Aspekt unterscheidet sich fundamen tal von Ansätzen, bei denen vorstrukturierte Substrate über wachsen werden, weil in diesem Fall die Anordnung von Anfang an fest vorgegeben ist. Die Erfindung ist auch keinesfalls nur auf kristalline Materialien beschränkt, sondern auf be liebige nicht-kristalline Kombinationen übertragbar.

In der Fig. 3 ist als erstes Anwendungsbeispiel ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter kantenemitierender Quantendraht-Halbleiterlaser 20 in einer vereinfachten Form im Querschnitt dargestellt. Auf einem n-dotierten Halbleiter substrat 21, beispielsweise aus GaAs, wird mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren eine periodische Anordnung gleichmäßig beabstandeter, intrinsischer Quantendrähte, beispielsweise aus InAs aufgebracht. Durch die Wachstumszeit kann der late rale Durchmesser der Quantendrähte 22, somit die Lage der Energieniveaus in den durch die Quantendrähte 22 gebildeten Potentialtöpfen und somit die Emis sionswellenlänge des Halbleiterlasers 20 eingestellt werden. So kann beispielsweise bei einem relativ geringen Durchmesser der Quantendrähte 22 eine Emissionswellenlänge von 1,3 µm er zielt werden, wohingegen ein relativ großer lateraler Durch messer der Quantendrähte 22 eine Einstellung der Emissions wellenlänge auf 1,55 µm erlaubt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich der Abstand der Quantendrähte 22 vonein ander auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Emissions wellenlänge, also auf nλ/2 eingestellt wird. Diese Einstel lung der Periodizität in Kavitätsrichtung des Quantendrahtla sers wird dazu benutzt, Lasertätigkeit auf nur einer einzigen Wellenlänge (single mode) zu erzeugen. Auf diese Weise wird somit ein Distributed-Feedback(DFB)-Laser hergestellt. Der vereinfachten Darstellung wegen ist in der Fig. 3 auf Wellen leiter- oder Cladding-Schichten, mit denen man ein optisches Confinement erzielen kann, verzichtet worden.

Hergestellt wird der Quantendrahtlaser 20 dadurch, daß auf der Oberfläche des n-leitenden GaAs-Substrats 21 wie bereits beschrieben eine stehende Oberflächenwelle erzeugt und gleichzeitig nominell undotiertes InAs auf der Hauptoberflä che abgeschieden wird. Wenn der Durchmesser der Quantendrähte 22 die gewünschte Größe erreicht hat, wird die Zufuhr von InAs und somit das Wachstum gestoppt und die Einkopplung der Oberflächenwellen abgeschaltet. Anschließend wird auf konven tionelle Art und Weise die Struktur mit einer Deckschicht 23 aus p-dotiertem GaAs überwachsen. Schließlich werden noch me tallische Kontaktanschlüsse auf beiden Seiten aufgebracht, über die das Bauelement mit einer externen Signalquelle ver bunden werden kann.

Alternativ zu dem beschriebenen Quantendrahtlaser kann auch ein Quantenpunktlaser hergestellt werden, wobei wie bereits beschrieben 2 stehende Oberflächenwellen mit einem Winkel zu einander, vorzugsweise 90° zur Überlagerung gebracht werden und gleichzeitig das aktive Halbleitermaterial, also bei spielsweise InAs, abgeschieden wird.

Eine weitere, nicht dargestellte Anwendungsform der vorlie genden Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Photodetektoren. Dies beruht auf der Überlegung, daß durch die erzielbare hohe Periodizität und Gleichförmigkeit der hergestellten niedrig dimensionalen Strukturen eine Verschmälerung der Absorptions linien für die resonante Lichtabsorption in den Quanten strukturen einher geht. Dies bedeutet eine erhöhte Absorption und verbesserte Empfindlichkeit von Photodetektoren, die auf eingebetteten ein- oder nulldimensionalen Halbleiterstruktu ren basieren. Ein derartiger Photodetektor kann beispielswei se als pin-Diode aufgebaut sein, wobei die obere Lichtemp fangsfläche aus p-dotierten Quantendrähten oder Quantenpunk ten gebildet ist. Das Substrat im Sinne der Erfindung ist so mit eine n-dotierte Halbleiterzone auf die eine intrinsische Halbleiterschicht aufgebracht ist. Auf die Hauptoberfläche dieser intrinsischen Halbleiterschicht wird dann nach dem be schriebenen Verfahren eine periodische draht- oder cluster förmige p-dotierte Struktur erzeugt. Die intrinsische Schicht kann auch weggelassen werden, da es nur darauf ankommt, einen pn-Übergang zu erzeugen.

Ebenso kann die vorliegende Erfindung auch auf Halbleiter-Photo detektoren mit Schottky-Kontakten angewandt werden. In der Fig. 4 ist als ein weiteres Anwendungsbeispiel ein Di stributed-Feedback(DFB)-Laser dargestellt, bei welchem jedoch nicht die laseraktive Schicht selbst aus periodischen Struk turen gebildet ist, sondern das erfindungsgemäße Verfahren lediglich dazu benutzt wird, eine Modulation in der darüber liegenden Deckschicht für die gewünschte Rückkopplung zu er zeugen. Auf einem Halbleitersubstrat 31 wird zunächst eine dotierte erste Einbettungsschicht 32 abgeschieden. Auf diese wird dann eine intrinsische aktive Halbleiterschicht 33 auf gebracht. Die zweite p-dotierte Einbettungsschicht 34 besteht aus einer ersten ebenen Teilschicht 34a und einer zweiten oberflächenmodulierten Teilschicht 34b. Zunächst wird auf konventionelle Art und Weise die erste Teilschicht 34a aufge wachsen, bis sie eine bestimmte Dicke erreicht hat. Dann wird auf der Oberfläche der ersten Teilschicht 34a eine stehende Oberflächenwelle erzeugt und das Aufwachsen fortgesetzt, so daß die zweite modulierte Teilschicht 34b daraus resultiert. Die Periodizität der Modulation wird wiederum so eingestellt, daß sie einem ganzzahligen Vielfachen der halben Emissions wellenlänge des DFB-Lasers 30, nλ/2, entspricht. In an sich bekannter Weise wird die periodische Struktur des DFB-Lasers dazu benutzt, Laseraktivität auf nur einer einzigen Wellen länge zu erzeugen. Nach Abscheidung der zweiten Teilschicht 34b kann die Struktur mit einer Deckschicht 35 planar über wachsen werden.

In der Fig. 5 ist als weiteres Anwendungsbeispiel der vorlie genden Erfindung eine dreidimensionale Anordnung von periodi schen draht- oder clusterförmigen Materialstrukturen darge stellt, durch die ein sogenannter photonischer Kristall rea lisiert werden kann. Ein photonischer Kristall ist gewisser maßen optisches Gegenstück zu einem Halbleiter, in dem sich nur Elektronen bestimmter Energie bewegen können. Mit Mate rialien, die eine mikroskopisch feine periodische Struktur besitzen, kann man nicht nur die Ausbreitung sichtbaren Lichts gezielt lenken, sondern diese auch gänzlich unterdrücken. Mit photonischen Kristallen sollten sich deshalb Schal telemente bauen lassen, die die Ausbreitung von Lichtstrahlen steuern können. Im vorliegenden Anwendungsbeispiel besteht der photonische Kristall aus einer dreidimensionalen Modula tion von zwei Materialien A und B mit unterschiedlichen Bre chungsindizes n_A und n_B. Diese werden in eine Matrix eingebet tet, die gegebenenfalls für sichtbares Licht transparent ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine Hauptober fläche eines Matrixsubstrats eine erste periodische Anordnung von Drähten oder Punkten aus einem Material A aufgebracht, die Struktur anschließend mit dem Matrixmaterial planar über wachsen und anschließend eine ebensolche periodische Struktur aus einem Material B aufgewachsen, wobei die Phase der ste henden Oberflächenwelle um 45° verändert wird, so daß die Strukturen mit einem räumlichen Versatz gegenüber der ersten Schicht aus dem Material A aufgebracht werden. Somit entsteht eine versetzte periodische Struktur, die dann wieder ohne stehende Oberflächenwelle mit dem Matrixmaterial überwachsen wird. Eine erneute Schicht aus dem Material A wird dann wie derum ohne räumlichen Versatz zu der darunter liegenden Schicht aus dem Material A aufgebracht. Im folgenden wird der Vorgang beliebig häufig wiederholt.

Ein weiteres nicht dargestelltes Anwendungsbeispiel der vor liegenden Erfindung betrifft jede Art von elektronischen Speicherbauelementen, welche darauf basieren, daß elektroni sche Ladungen in eingebetteten periodischen Strukturen ge speichert werden. Ein Sonderfall hiervon ist ein sogenannter an sich im Stand der Technik bekannter Floating-Gate-Spei cher. Das Floating-Gate wird nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren aus periodischen draht- oder clusterförmigen isolier ten Elektrodenstrukturen aufgebaut, die beladen und entladen werden können. Die Erfindung bietet somit in der Anwendung auf dieses Bauelement die Möglichkeit, eine kontrollierte An zahl von Elektrodenstrukturen einzufügen und so die elek trostatische Beladung exakt zu kontrollieren.

Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft magnetische Speicherbauelemente. Für magnetische Speicher ist eine gezielte Anwendung von magnetischen oder magnetisierba ren Strukturen auf einer Oberfläche notwendig. Das erfin dungsgemäße Verfahren bietet hier die Möglichkeit, derartige Strukturen mit mikroskopischen lateralen Dimensionen mit ho her Präzision in der Periodizität und der Gleichförmigkeit anzuordnen.

Die Erfindung kann auch dafür genutzt werden, mechanische Präge- oder Druckeinrichtungen zu erstellen, mit denen andere Oberflächenstrukturen strukturiert werden sollen. Für derar tige Druck- oder Prägemasken wird eine periodische Struktur auf einer Oberfläche abgeschieden, die dann als Stempel be nutzt werden kann, um in eine andere Oberfläche eine entspre chende Einprägung zu formen.

Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft konventionelles Wachstum von Epitaxieschichten und die Nu kleation von Defekten. Es ist damit zu rechnen, daß Defekte in Epitaxieschichten auf mit stehenden Oberflächenwellen mo dulierten Oberflächen fundamental anders an genau vordefi nierten, beispielsweise regelmäßig periodischen Stellen nu kleieren als auf nicht-modulierten Oberflächen. Dies kann zu völlig neuen Konzepten für relaxierte Pufferschichten führen, die dann als Basis für verbesserte Bauelemente einsetzbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer periodischen Anordnung von Bereichen eines Materials oder mehrerer verschiede ner Materialien, mit den Verfahrensschritten:

a) Bereitstellen eines Substrats (1),
b) Erzeugen mindestens einer stehenden Oberflächenwelle auf einer Hauptoberfläche des Substrats,
c) Aufbringen des Materials auf die mit der stehenden Oberflächenwelle beaufschlagte Hauptoberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Verfahrensschritt b) die stehende Oberflächenwelle dadurch erzeugt wird, daß an zwei Abschnitten der Hauptoberfläche periodische Schallsignale eingekoppelt und in zwei in entgegengesetzte Richtung propagierende und sich überlagernde Oberflächenwellen umgewandelt wer den.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Verfahrensschritt b) die stehende Oberflächenwelle dadurch erzeugt wird, daß an zwei Abschnitten der Hauptoberfläche periodische elektromagnetische Signale gleicher Frequenz zugeführt und mittels des piezoelek trischen Effektes in zwei in entgegengesetzte Richtung propagierende und sich überlagernde Oberflächenwellen umgewandelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat (1) piezoelektrische Eigenschaften aufweist und die elektromagnetischen Wellen direkt in das Sub strat eingekoppelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

- an den zwei Abschnitten piezoelektrische Schichten auf die Hauptoberfläche aufgebracht sind und die elektroma gnetischen Wellen in die piezoelektrischen Schichten eingekoppelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- die elektromagnetischen Signale über Signalzuführungs leitungen (4, 5) zugeführt werden, wobei
- die Signalzuführungsleitungen (4, 5) an ihrem Ausgang mit elektrischen Kontaktschichten (2A, 2B, 3A, 3B) ver bunden sind, die auf der Hauptoberfläche oder gegebenen falls darauf aufgebrachten piezoelektrischen Schichten aufgebracht sind, und
- die elektromagnetischen Signale in die Hauptoberfläche oder die piezoelektrischen Schichten eingekoppelt wer den.

7. Verfahren noch einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- die elektromagnetischen Signale als freipropagierende elektromagnetische Strahlung den zwei Abschnitten der Hauptoberfläche zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Verfahrensschritt b) auf der Hauptoberfläche zwei sich unter einem Winkel, überlagernde stehende Oberflä chenwellen erzeugt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat aus (Al, Ga) As hergestellt ist und
- das im Verfahrensschritt c) aufgebrachte Halbleitermate rial ein anderes III-V-Material, insbesondere InAs, ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- in einem weiteren Verfahrensschritt d) auf das Substrat und die Bereiche eine Deckschicht aufgebracht wird, so daß die Bereiche zwischen dem Substrat und der Deck schicht eingebettet werden.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine dreidimensionale periodische Anordnung von Berei chen eines oder mehrerer Materialien dadurch hergestellt wird, indem
- die Verfahrensschritte a) bis d) mehrmals hintereinander iterativ durchlaufen werden, wobei die im jeweils letz ten Durchlauf aufgebrachte Deckschicht im jeweils näch sten Durchlauf als Substrat dient.

12. Einrichtung enthaltend eine gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 hergestellte periodische Anord nung von Bereichen eines oder mehrerer verschiedener Ma terialien.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein Halbleiterlaser (20) ist, bei welchem
- das Substrat (21) aus einem ersten Halbleitermaterial mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (n, p) gebildet ist,
- auf dem Substrat (21) periodisch angeordnete Bereiche (22) eines intrinsischen, zweiten Halbleitermaterials durch Aufwachsen während der Beaufschlagung der Haupt oberfläche mit einer oder zwei sich unter einem Winkel überlagernden stehenden Oberflächenwellen gebildet sind, und
- auf dem Halbleitersubstrat (21) und den Bereichen eine Deckschicht (23) aus einem Halbleitermaterial mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (p, n) gebildet ist, wobei
- das zweite Halbleitermaterial der periodischen Bereiche (22) eine niedrigere Bandlücke als das umgebende Halb leitermaterial aufweist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

- das erste Halbleitermaterial (Al, Ga) As, insbesondere GaAs ist,
- das zweite Halbleitermaterial InAs ist, wobei
- die Emissionswellenlänge bei 1,55 µm oder 1,3 µm liegt.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

- die periodischen Bereiche (22) einen Abstand von nλ/2 von einander aufweisen, so daß eine Emission auf einer einzigen Wellenlänge λ erzielt wird.

16. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein Halbleiter-Photodetektor ist, bei welchem
- das Substrat aus einem Halbleitermaterial mit einem er sten Leitfähigkeitstyp (n, p) und gegebenenfalls einer darauf abgeschiedenen Schicht eines intrinsischen Halb leitermaterials gebildet ist,
- auf dem solchermaßen gebildeten Substrat periodisch an geordnete Bereiche eines Halbleitermaterials mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (p, n) durch Aufwachsen wäh rend der Beaufschlagung der Hauptoberfläche mit einer oder zwei sich unter einem Winkel überlagernden stehen den Oberflächenwellen gebildet sind, wobei
- das Halbleitermaterial der periodischen Bereiche eine niedrigere Bandlücke als das umgebende Halbleitermateri al aufweist.

17. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein Halbleiter-Photodetektor mit einem Schottky-Kon takt ist.

18. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein DFB-(Distributed Feedback)Laser (30) ist, bei welchem
- das Substrat durch eine erste Einbettungsschicht (32) eines Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeits typs (n, p), eine darauf abgeschiedene, intrinsische ak tive Halbleiterschicht (33) und eine darauf abgeschiede ne erste ebene Teilschicht (34a) einer zweiten Einbet tungsschicht (34) eines Halbleitermaterials eines zwei ten Leitfähigkeitstyps (p, n) gebildet ist,
- auf dem solchermaßen gebildeten Substrat eine zweite Teilschicht (34b) der zweiten Einbettungsschicht (34) desselben Halbleitermaterials wie das der ersten Teil schicht (34a) in Form von periodisch beabstandeten, drahtförmigen Bereichen durch Aufwachsen während der Be aufschlagung der Hauptoberfläche mit einer stehenden Oberflächenwelle gebildet ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 12, enthaltend eine gemäß An spruch 11 hergestellte periodische Anordnung von Berei chen mindestens eines Halbleitermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein photonischer Kristall (40) ist, bei welchem
- die periodischen draht- oder clusterförmigen Bereiche (41) aus zwei alternierend abgeschiedenen Materialien (A, B) mit unterschiedlichen Brechungsindizes (n_A, n_B) gebildet sind und gegebenenfalls
- die periodischen Bereiche (41) zweier benachbarter Schichten durch Änderung der Phase der mindestens einen stehenden Oberflächenwelle mit einem räumlichen Versatz gegeneinander gebildet werden.

20. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie eine Speichereinrichtung ist, bei welcher
- in den periodischen draht- oder clusterförmigen Bereichen elektrische Ladungen speicherbar sind.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein Floating-Gate-Speicher ist, bei welchem
- die Speichereinheiten durch in einer Matrix eingebettete Bereiche gebildet sind, die gegebenenfalls
- gemäß Anspruch 11 in mehreren Schichten übereinander ab geschieden sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

- sie ein Halbleiterbauelement ist, bei welchem der Strom transport zwischen den periodischen draht- oder cluster förmigen Bereichen stattfindet.

23. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- sie ein magnetischer Speicher ist, bei welchem
- die periodischen Bereiche durch magnetische oder magne tisierbare Materialien gebildet sind.

24. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

- sie eine Präge- oder Druckeinrichtung zum Zwecke der Strukturierung anderer Oberflächen ist.