DE19932880A1 - Verfahren zur Herstellung von Nanometerstrukturen auf Halbleiteroberflächen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von regelmäßigen Nanometer-Strukturen, insbesondere von regelmäßigen Pyramiden- und Wellenstrukturen, mit einer schmalen Größenverteilung und Abmessungen von 2 bis 100 nm, insbesondere 10-60 nm, insbesondere im Durchmesser bzw. Breite und Höhe, auf Halbleiteroberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial verwendet wird, das aus mindestens zwei und vorzugsweise zwei Komponenten besteht, also ein Verbindungshalbleiter ist und - gegebenenfalls neutralisierte - Edelgasionen aus einer Ionenquelle mit einer Energie von 10 bis 50000 eV, insbesondere 50-2000 eV, auf dieses Verbindungshalbleitermaterial gerichtet werden, mit denen unter Vakuum mittels Ionensputtern die Oberfläche des Materials soweit abgetragen wird, dass die Nanometer-Struktur vorliegt.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 zur Herstellung regelmäßiger Halbleiterstrukturen mit Grö­ ßen im Bereich einiger Nanometer bis zu einiger zehn Nanometer. Es wird bezeichnet als "selbstorganisiertes Ionensputtern", wobei Ionensputtern Ab­ tragen bzw. Zerstäuben durch Ionenbeschuß bedeutet. Die damit hergestell­ ten Strukturen zeigen außergewöhnliche elektronische und optische Eigen­ schaften. Die erzeugte Nanometer-Strukturierung/Texturierung von Oberflä­ chen ist deswegen in weiten Bereichen von Interesse. Auf Basis dieses Ver­ fahrens hergestellte Inseln oder Drähte aus Halbleitermaterialien einheitli­ cher Größe im Nanometer-Bereich, sogenannte "Quantenpunkte" (quantum dots) bzw. "Quantendrähte" (quantum wires) sind insbesondere als aktives Medium in Halbleiterlasern ("Quantenpunkt-Laser") oder in Tunnelbauele­ menten von Bedeutung.

Das technische Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, betrifft Halblei­ terstrukturen, Verbindungshalbleiter, Ionensputtern, Halbleiterlaser, Tun­ nelbauelemente, Nanometer-Strukturierung, Quantenpunkte.

Einschlägiger Stand der Technik: Zur Herstellung von kleinsten, regelmässi­ gen Strukturen im Nanometer-Bereich auf Substraten werden verschiedene Lithographieverfahren angewendet. Speziell zur Herstellung von Quanten­ punkten und -drähten sind in den letzten Jahren neue Verfahren entwickelt worden, wie zum Beispiel das "selbstorganisierte Wachstum" oder das epi­ taktische Wachstum auf vorstrukturierten oder hochindizierten Oberflächen.

Die Änderung der Oberflächenmorphologie durch Ionenbeschuß ist vielfach studiert worden. Sie bietet Ansätze zur Erklärung der Strukturentstehung.

Lithographische Verfahren: Nanometerstrukturen können mit herkömmli­ chen lithographischen Verfahren hergestellt werden. Hierzu werden Multi­ quantenwells mittels Photolithographie oder Elektronenstrahllithographie strukturiert und so eine Eingrenzung der Ladungsträger in 3 Dimensionen erreicht [12]. Die Größe der lithographisch erzeugten Strukturen kann bis zu 20 nm betragen. Mit AFM-Lithografie (atomic force microscopy) kann die Größe der Strukturen noch weiter verkleinert werden. Nachteil der lithogra­ phischen Methoden ist ein hoher technischer Aufwand und bei der Elektro­ nenstrahl- und AFM-Lithographie aufgrund der seriellen Bearbeitung ein hoher zeitlicher Aufwand.

Selbstorganisiertes Wachstum: Beim epitaktischen Wachstum weniger Mo­ nolagen eines Halbleiters auf einem Substrat entstehen unter bestimmten Bedingungen von selbst Inseln einheitlicher Größe [11]. Das "selbst­ organisierte" Wachstum wird bei verschiedenen Materialsystemen beobach­ tet: z. B. InAs auf GaAs [4], GaSb auf GaAs [5], Ge auf Si [6]. Es beruht auf dem Unterschied in der Gitterkonstanten der Materialien, der in einer zwei­ dimensionalen Schicht zu elastischen Verspannungen führt. Eine Möglich­ keit der Relaxation dieser Schicht besteht in der Ausbildung von dreidimen­ sionalen Inseln. Im sogenannten Stranski-Krastanov-Wachstummodus ent­ steht zunächst eine Benetzungsschicht und darauf Inseln gleicher Größe und Form. Die Größe dieser Inseln (meist Pyramiden) beträgt einige Nano­ meter bis einige zehn Nanometer. Messungen der Photolumineszenz sowie Elektrolumineszenz an so hergestellten Quantenstrukturen zeigen eindeutig eine Einsperrung der Elektronen in 3 Dimensionen [7, 13].

Änderung der Oberflächenmorphologie: Änderung der Oberflächenmorpholo­ gie durch Ionenbeschuß ist in der Literatur in den letzten Jahren häufig untersucht und beschrieben worden [8-10]. Zwei Ansätze werden zur Erklä­ rung der Strukturentstehung in der Literatur diskutiert. Gemeinsames Merkmal beider Erklärungen ist die Annahme einer lokal veränderten Sput­ terrate, d. h. eine lokal veränderte Materialabtragungsrate. Diese kann durch zwei Ursachen auftreten:
Verunreinigungs- oder defektinduzierte Maskierung: Stellen, an welchen durch Fremdatome oder durch Defekte an oder unmittelbar unterhalb der Oberfläche die Sputterrate lokal kleiner ist als in der Umgebung, ergeben nach außen gerichtete Strukturen. Bei mehrkomponentigen Materialien (z. B. III-V Verbindungshalbleiter) kann durch bevorzugtes Sputtern eines Ele­ mentes an der Oberfläche ein Element angereichert werden. Durch Diffusion kommt es zur Trennung der in Überschuß vorhandenen Atome und damit zu einer Maskierung der Oberfläche. Fremdatome können auch definiert durch Sputterdeposition aufgebracht werden und so eine Maskierung erreicht wer­ den.

Mikroskopisches Sputtern: Die Sputterrate ist eine Funktion des Winkels, unter welchem die Ionen auf die Oberfläche treffen. Mikroskopisch wird durch die Sputterwahrscheinlichkeit einzelner Oberflächenatome die Rau­ higkeit erhöht, während mesoskopisch die Rauhigkeit durch das Sputtern reduziert wird. Ein stationärer Zustand ist dann erreicht, wenn die Sputter­ rate auf der texturierten Oberfläche überall konstant ist, was zu regelmäßi­ gen Strukturen mit mindestens einer Nahordnung führen kann.

Bei GaSb und InSb, bei welchen die regelmäßige Oberflächenstruktur beob­ achtet wurde, ist der erste Fall wahrscheinlicher, da sich die Sputterraten der Elemente stark unterscheiden und somit bevorzugtes Sputtern einer Komponente auftritt.

Literatur

[1] N. Kirstaedter et al.; Electronics Letters 30, 1416 (1994)
[2] D.G. Deppe und D.L. Huffaker, Optics & Photonics News, January, 30, (1998)
[3] W. Chen und H. Ahmed, J. Vac. Sci. Technol. B 15 (4), (1997)
[4] J.M. Moison, F. Houzay, F. Barthe, and L. Leprince, Appl. Phys. Lett 64 (

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[11] M. Grundmann und D. Bimherg, Phys. Blätter 53, 517 (1997)
[12] Y.S. Yang et al., J. of Electr. Mat. 24 (

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[13] M. Grundmann et al., Phys. Stat. Sol. (b) 188, 249 (1995).

Die bisher bekannten Herstellungsmethoden zur Erzeugung regelmäßiger Strukturen auf Festkörperoberflächen im Bereich von einigen zehn Nano­ meter (Nanostrukturen) und für Quantenpunkte oder Quantendrähte beru­ hen auf lithographischen Verfahren (Elektronenstrahl-/Photo- oder AFM- Lithographie), auf Selbstorganisation beim epitaktischen Wachstum oder auf epitaktischem Wachstum auf vorstrukturierten oder hochindizierten Ober­ flächen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von regelmässigen Strukturen im Nanometerbe­ reich anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach An­ spruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 11.

Das neue Verfahren beruht auf einem neuen Selbstordnungsprinzip, das beim Ionensputtern auftritt, wenn geeignete Ionenenergien verwendet wer­ den und die zu bearbeitende Oberfläche geeignet vorbereitet wird.

Die Nanometerstruktur nach der Erfindung besteht aus einer Vielzahl von einzelnen, voneinander isolierten Inseln aus einem Verbindungshalbleiter­ material, die sich auf einem Substrat befinden. Dieses Substrat kann der­ selbe Verbindungshalbleiter wie das Verbindungshalbleitermaterial oder ein anderes Halbleitermaterial sein. Die einzelnen Inseln haben untereinander möglichst weitgehend gleiche Form und Ausbildung, sie sind weitgehend re­ gelmässig auf dem Substrat angeordnet. Allgemein ausgedrückt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Änderung der Morphologie einer Halbleiterober­ fläche.

Zur Herstellung der Nanostrukturen (z. B. Punkte, Drähte) mit Größen von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Nanometern auf Festkörperoberflä­ chen mittels "selbstorganisiertem Ionensputtern" benötigt man eine Anlage zur Erzeugung eines homogenen Ionen- oder neutralisierten Ionenstrahls mit einer kinetischen Energie der Ionen bzw. Atome von 10 bis 50 000 eV, insbesondere 50-2000 eV. Speziell für GaSb haben sich 300-1000 eV als vorteilhaft erwiesen. Dazu ist eine Vakuumkammer nötig, die bei Drücken unterhalb des Normaldrucks, insbesondere < 10^-3 mbar betrieben werden kann. In der Vakuumkammer wird außer der Ionen- oder Atomquelle eine Vorrichtung (Halter) zur Aufnahme des zu bearbeitenden Materials benötigt. Auf diesen Halter wird der Festkörper in thermischen Kontakt aufgebracht und über den Halter rückseitig gekühlt. Eine Regelung der Temperatur wäh­ rend des Ionensputterns ist von Vorteil. Der Ionen- oder neutralisierte Io­ nenstrahl aus der Ionen- bzw. Atomquelle wird senkrecht oder unter einem anderen Winkel auf die Oberfläche des Festkörpers gerichtet, wodurch Ato­ me aus der Oberfläche des Materials herausgeschlagen werden (Ionensput­ tern, Ionenätzen). Eine Einrichtung zum Messen des Ionenstroms vor und während des Ionenbeschusses ist nötig zur Bestimmung der Rate, mit der die Oberfläche beschossen wird, und damit der benötigten Zeit. Zur End­ punktbestimmung ist hierbei außerdem eine Analysemethode, die die ge­ sputterten Elemente detektiert, von großem Vorteil.

Beim Prozeß des Ionensputterns findet eine kontinuierliche Erosion der Oberfläche durch das Auftreffen der Ionen bzw. Atome statt, wobei sich beim "selbstorganisiertem Ionensputtern" kegelförmige Strukturen mit Größen von einigen zehn Nanometer aus der Oberfläche herausbilden. Diese Struk­ turen bleiben nach erster Ausbildung auch bei weiterem Sputtern erhalten. Das Material, dessen Oberfläche mit Nanometerstrukturen mittels selbstor­ ganisiertem Sputtern bedeckt werden soll, muß folgende Eigenschaften auf­ weisen: es muß eine Verbindung sein, wobei die Sputterrate seiner Elemente unterschiedlich sein muß. Verbindungen, die das selbstorganisierte Sputtern zeigen, sind z. B. kristallines GaSb und InSb mit (100) Orientierung der Oberfläche.

Zeigt das gewünschte Material diese Eigenschaft der Entstehung regelmäßi­ ger Nanometerstrukturen nicht auf, so kann indirekt über eine zusätzlich aufgebrachte GaSb-Schicht die Oberfläche dieses Materials ebenfalls struk­ turiert werden. Hierzu wird mittels eines geeigneten Depositionsverfahrens (z. B. Molekularstrahlepitaxie (MBE), Abscheidung aus Dampfphase (CVD), Sputterdeposition, etc.) eine GaSb-Schicht auf das Material aufgebracht mit einer Dicke von einigen 10 nm bis zu vielen 100 nm, vorzugsweise minde­ stens 250 nm. Danach wird durch das oben beschriebene Verfahren die GaSb Schicht behandelt und durch weiteres Ionensputtern die in der GaSb Schicht entstandene Morphologie auf das darunterliegende Substrat über­ tragen.

Für die Erzeugung von Quantenpunkten muß das Material aus mindestens zwei Schichten bestehen. Die geeigneten Materialien werden meist mit epi­ taktischen Verfahren hergestellt. Wichtig ist die Einsperrung der Elektronen in den erzeugten Quantenpunkten, d. h. daß Inseln der ersten Schicht auf der darunterliegenden Schicht isoliert stehen bleiben (z. B. GaSb-Inseln auf AlSb oder auf GaAs).

Für die Endpunktkontrolle beim Abtragen der Schichten einer Mehrschicht­ struktur ist man eine elementspezifische Detektion der abgetragenen Teil­ chen oder eine elementspezifische Oberflächenanalysemethode günstig, die während des Sputterns durchgeführt werden kann.

Das neue Verfahren erlaubt Nanometerstrukturen hoher Dichte (z. B. 5.10¹⁰ cm^-2) und schmaler Größenverteilung zu erzeugen, mit Größen von typi­ scherweise 10-60 nm und mit einer hexagonalen Nahordnung. Das neue Verfahren kann dabei in industriellen Ionenätzanlagen in der Herstellung homogener großflächiger Nano-Strukturierung oder -Texturierung oder von Quantenpunkten (bis zu 50 cm × 50 cm möglich) Verwendung finden. Im Ver­ gleich zu epitaktisch gewachsenen Nanostrukturen z. B. mit Molekularstrah­ lepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder Metallorganischer Gasphase­ nepitaxie (Molecular Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE) sind die Anfor­ derungen an das Vakuum und an die Reinheit der Vakuumkammer viel niedriger. Gegenüber lithographischen Verfahren hat die neue Technik den Vorteil eines geringeren zeitlichen Aufwands.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung nichteinschränkend zu ver­ stehender Ausführungen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Rasterelektronenaufnahme einer Nanometer-Morphologie auf GaSb (100) bei 50 000facher Vergrösserung,

Fig. 2 die Morphologie nach Fig. 1 in 200 000facher Vergrösserung,

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines Plasma-Ionenätzsystems (auch: Plasma-Sputtersystems) mit Quadrupolmassenspektrometer für die Abschaltkontrolle,

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung des Plasma-Ionenätzsystems gem. Fig. 3 zeigt ein Detail aus Fig. 3 vergrössert dargestellt, insbesondere einen Halter für die Probe,

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung einer Sputteranlage, wie sie für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann,

Fig. 6 ein Schaubild der Grössenverteilung der Nanometerstrukturen, auf­ getragen ist der Strukturdurchmesser, über der Anzahl,

Fig. 7 ein Schaubild entsprechend Fig. 6, nach längerer Sputterzeit und

Fig. 8 ein Schaubild entsprechend Fig. 7, nach wiederum längerer Sputter­ zeit.

Beruhend auf dem neuen Verfahren wurden regelmäßige kegelförmige Strukturen auf GaSb (100) Oberflächen unterschiedlicher Größe hergestellt (siehe Fig. 1 und 2. Durchmesser: 26 nm). Die Strukturen weisen eine hexagonale Nahordnung mit einer Dichte von ∼ 5.10¹⁰ Punkte/cm² auf. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen (HTEM) zei­ gen, daß die Pyramiden die gleiche Zusammensetzung (stöchiometrisches GaSb) sowie die gleiche kristalline Struktur wie das Substrat aufweisen.

Zur Herstellung von Quantenpunkten müssen die Ladungsträger zusätzlich zur lateralen Ausdehnung auch senkrecht zur Oberfläche eingesperrt wer­ den, was dadurch erreicht wird, daß eine geeignete Abfolge von epitaktisch gewachsenen Schichten so lange abgetragen wird, bis isolierte GaSb Inseln auf der darunterliegenden Schicht (z. B. AlSb, GaAs) übrig bleiben. Als geeig­ nete Endpunktkontrolle werden die abgetragenen Atome massenspektrome­ trisch detektiert. Dadurch kann z. B. der Übergang von GaSb auf AlSb am Verschwinden des Ga-Signals festgestellt werden. Auf diese Weise wurden GaSb Quantenpunkte auf AlSb- und auf GaAs-Substrat hergestellt.

Die Ionensputteranlage, gem. den Fig. 3 und 4 die zur Herstellung der Strukturen verwendet wurde, ist ein Massenspektrometriesystem zur Tiefen­ profilanalyse (INA3 von Leybold). Das System besteht aus einer Plasma­ kammer 20 und einer Probentransferkammer. Beide Kammern sind UHV-tauglich. Die Plasmakammer 20 kann über ein Dosierventil mit Argon-Gas gefüllt werden. Über das Ventil wird mit einem Regelmechanismus der Ar­ gon-Druck in der Kammer geregelt. Über eine Spule 22 (r.f. coil) und einen HF-Generator wird in der Plasmakammer ein Plasma gezündet, welches bei Drücken von 1.10^-3 mbar bis 1.10^-4 mbar aufrechterhalten wird. Das Plas­ ma besteht aus Ar-Ionen und Elektronen in Ar-Gas.

Es wird ein Stück von 8 × 8 mm aus einem GaSb-Wafer ((100)-Orientierung ± 0.5°, undotiert, 50.8 mm Durchmesser, 500 µm Dicke, Frontseite "Epi rea­ dy" poliert, geliefert von Crystec) geschnitten und in einen Probenhalter 24 eingebaut (siehe Fig. 2 links). Die Probe 26 wird mittels einer Cu-Blende 28 (Blendendurchmesser: 2 mm) auf den Kupferblock 30 angedrückt. Während des Sputterns wird der Kupferblock des Probenhalters durch kontinuierli­ chem Fluß von Wasser oder flüssigem Stickstoff oder eines anderen, insbe­ sondere zur Erzeugung tieferer Temperaturen geeigneten Kühlmittels ge­ kühlt. Standardmäßig werden Probentemperaturen von -80°C bis +60°C eingestellt. Der Probenhalter wird aus der Transferkammer in die Plasma­ kammer transferiert. Das GaSb, also die Probe 26, im Probenhalter 24 ist durch eine Frontblende von dem Ar-Plasma getrennt (siehe Fig. 3).

Das Ionenätzen setzt mit dem Anlegen einer Spannung U_B von 500 V zwi­ schen Plasma und rückseitigem Kupferblock 30 des Probenhalters ein. Durch die Spannung werden Ar⁺-Ionen aus dem Plasma auf eine kinetische Energie von 500 eV beschleunigt und treffen senkrecht zur Oberfläche auf die Probe 26, also das GaSb-Stück. Der Strom, der hierbei gemessen wird, gibt den gesamten Ionenstrom aus dem Plasma zur Probe und Blende an. Dieser beträgt bei der Herstellung der Nanostrukturen auf GaSb 0.4 mA. Der Ionenstrom, der für das Sputtern zuständig ist, kann auf 0.15 mA abge­ schätzt werden, was einer Ionenstromdichte von 1 × 10¹⁶ cm^-2 s^-1 entspricht. Für die Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Strukturen wird 300 Sekunden lang gesputtert, was einer Gesamtdosis von etwa 3 × 10¹⁸ cm^-2 entspricht.

Die Plasmakammer 20 verfügt ebenfalls über einen Massenspektrometer 34, in welchem die gesputterten Atome, die in dem Plasma ionisieren, detektiert werden. Während des Sputterns werden die im Material vorhandenen Ele­ mente verfolgt (z. B. Ga, Sb und Al bei einer GaSb auf AlSb Schichtstruktur), um bei Mehrschichtstrukturen aus verschiedenen Materialien den Abbruch­ zeitpunkt zu bestimmen, so daß isolierte GaSb-Inseln auf der Oberfläche entstehen.

Die Herstellung der Nanometerstrukturen auf der Probe 26 aus GaSb wurde auch in einer kommerziellen Sputteranlage gezeigt (PLS 500 P der Fa. Bal­ zers, ECR-Ionenquelle 40 RRISQ 76 ECR der Fa. Roth und Rau, Skizze siehe Fig. 3). In dieser Anlage geschieht das Sputtern durch gerichteten Beschuß der Probe 26 mit einem neutralisierten Ionenstrahl. Der Ionenstrahl wird in einer EGR-Plasmakammer 20 (EGR = Elektron-Zyklotron-Resonanz) erzeugt. Die Plasmakammer 20 ist durch ein Gittersystem 36 von der Prozeßkammer 38 getrennt. Das erste Gitter dient der Abschirmung des Plasmas, während das zweite Gitter die Beschleunigung der Ionen bewirkt. Die aus dem Plasma extrahierten Ionen werden durch Beschuß mit einem Elektronenstrahl aus einem sogenannten Plasmabrückenneutralisator 42 neutralisiert. Eine GaSb-Probe, geschnitten aus einem GaSb-Wafer ((100)-Orientierung ± 0.5°, undotiert, 50.8 mm Durchmesser, 500 µm Dicke, Frontseite "Epi ready" po­ liert, geliefert von Crystec) wird auf einen Probenhalter 24 aufgebracht, der in einem Abstand von 10 cm von dem Beschleunigungsgitter der Ionenquelle angebracht ist. In der Prozeßkammer 38 ist ein Druck von < 10^-5 mbar. Ge­ sputtert wird unter senkrechtem Einfall mit einer kinetischen Energie der Ar-Atome von 500 eV. Der Probenhalter 24 wird während der Prozeßdurch­ führung gekühlt und auf Zimmertemperatur geregelt. Die mit dieser Methode bearbeiteten Proben zeigen eine homogene Verteilung der Quantenpunkte auf einer Fläche von 1 cm × 1 cm.

Mit 43 ist ein Gaseinlass bezeichnet, der in die Plasmakammer 20 mündet. Die Anlagen befinden sich in einer Vakuumkammer, deren Wände mit 44 bezeichnet sind. 46 ist eine Mikrowellenanordnung.

Die Entstehung der Morphologie wurde an GaSb und InSb durchgeführt und nachgewiesen. Aus den Erklärungsansätzen ist folgende Bedingung an das Material zu stellen: das Material muß aus mindestens zwei Komponenten bestehen, mit unterschiedlicher Sputterrate. Dies ist beispielsweise bei Ele­ menten mit unterschiedlichen Massen oder Oberflächenbindungsenergien der Fall. Darüber hinaus muß das an der Oberfläche angereicherte Element die Tendenz zur Ansammlung zeigen, insbesondere sollte es die Oberfläche nicht benetzen. Die Konzentration der Atome aus einem Einzugsbereich be­ stimmt dann die Dichte und die Größe der entstehenden Strukturen. Für die gezielte Lithographie von Materialien, die nicht selber die selbstorganisierte Entstehung von Nanostrukturen beim Ionensputtern zeigen, ist es trotzdem möglich die Morphologie einer auf dieses Material aufgebrachte Schicht GaSb mit einer Dicke von einigen 10 nm bis zu vielen 100 nm, vorzugsweise mindestens 250 nm (epitaktisch oder amorph) auf das darunterliegende Substrat durch weiteres Ionenätzen zu übertragen. Die erzielten Nanometer- Strukturen sind weitgehend homogen verteilt.

Die Sputterrate (oder Abtragsrate) ist definiert als die Anzahl der gesputter­ ten (abgetragenen) Atome pro einfallendem Primär-Ion: SR = abgetragene Teilchen/einfallende Teilchen. Die Sputterrate des präferienziell gesputterten Elements soll mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 5%, insbesondere mindestens 7% und eventuell mindestens 10% grösser sein als die des an­ deren Elements. Dieses Kriterium hat auch eine ungefähre Entsprechung in den Massenzahlen der Elemente: die Atommassen der Elemente des Verbin­ dungshalbleiters unterscheiden sich mindestens um 10%, vorzugsweise um 20% und insbesondere um 50%.

Die mittlere Eindringtiefe von Ar-Ionen mit einer kinetischen Energie von 500 eV in GaSb ist 2 nm mit einer maximalen Reichweite von 5 nm, also kleiner als die Ausdehnung der Nanometerstrukturen. Die Zerstörung der Kristallstruktur durch die einfallenden Ionen ist also auf die Oberfläche be­ schränkt, womit die Strukturen kristallin bleiben. Dies ist auch die Voraus­ setzung für die Verwendung dieser Strukturen als Quantenpunkte. Ist die Eindringtiefe der Ionen grösser als die entstehenden Strukturen, so wird durch die Zerstörung der Kristallstruktur eine Amorphisierung der Struktu­ ren stattfinden. Dies ist bei GaSb schon bei Ar-Ionen mit einer Energie von 2 keV zu erwarten. Allgemein muss für jedes Material die Eindringtiefe und Zerstörung durch die Primär-Ionen ermittelt bzw. abgeschätzt werden. Die Eindringtiefe der Ionen wird vorzugsweise kleiner gewählt als die Grösse der Nanometerstrukturen.

In Versuchen wurden Strukturen auf GaSb bei zwei Substrattemperaturen hergestellt:
Mit Wasserkühlung wurde eine Substrattemperatur von 60 +/- 5°C während des Ionenabtrags eingestellt. Die Dichte der entstandenen Strukturen ist 5.10¹⁰ cm^-2, was einem mittleren Abstand der Quantenpunkte von 50 nm entspricht. Die Entstehung der Strukturen ist ein kontinuierlicher Prozess, der mit kleinen Strukturen beginnt, wobei sich die Dichte während des Io­ nenätzens nicht ändert. Die Grösse der Strukturen ist abhängig von der Sputterzeit und somit von der Ionendosis oder Dicke der abgetragenen Schicht. Die maximale Grösse von 50 nm ist erreicht, wenn die Strukturen aneinanderstossen, sich somit nicht mehr vergrössern können. Dieser sta­ tionäre Zustand ist bei einer abgetragenen Schicht von ≈ 500 nm erreicht. Danach wird die Oberflächenmorphologie in das Volumen übertragen bis zu Tiefen von einigen µm.

In den Fig. 6 bis 8 sind die Grössenverteilungen der Nanometerstruktu­ ren nach unterschiedlichen Sputterzeiten dargestellt (von Fig. 6 zu Fig. 9 werden die Ionenätzzeiten grösser). Die schmale Grössenverteilung der Strukturen deutet auf ein Selbstordnungsprinzip hin und ist besser als viele in der Literatur gezeigten Grössenverteilungen von selbstorganisierten Quantenstrukturen beim epitaktischen Wachstum. Die schmale Grössen­ verteilung ist eine der primären Anforderungen an Quantenpunkte, da sie die spektrale Breite der Photolumineszenz und damit die Effizienz eines auf diesen Strukturen basierenden Lasers bestimmt.

Bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff hat die Probe eine Temperatur von - 80°C bis -50°C. Die Strukturen, die bei diesen Temperaturen hergestellt wurden, weisen eine etwas grössere Dichte von 1,4.10¹¹ cm^-2 mit einem mittleren Abstand von 30 nm auf. Ansonsten wird aber das gleiche Verhalten und die gleiche schmale Grössenverteilung beobachtet.

Die Strukturen sind sehr gleichmässig über grosse Flächen verteilt. Man fin­ det die gleiche Dichte der Strukturen am Rand und in der Mitte einer ge­ sputterten Fläche. Die hexagonale Nahordnung bedeutet, dass die Struktu­ ren jeweils 6 Nachbarn aufweisen, wobei keine perfekte hexagonale Struktur vorhanden ist, d. h. man findet auch Strukturen mit 5 oder 7 Nachbarn. Macht man eine Analyse der Ordnung, so findet man eine eindeutige Korre­ lation über einen Radius von 6.50 nm = 300 nm (dies entspricht der soge­ nannten Korrelationslänge), darüberhinaus aber nicht mehr (ähnlich einem Beugungsbild einer Flüssigkeit).

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von regelmäßigen Nanometer-Strukturen, ins­ besondere von regelmäßigen Pyramiden- und Wellenstrukturen, mit einer schmalen Größenverteilung und Abmessungen von 2 bis 100 nm, insbe­ sondere 10-60 nm im Durchmesser bzw. Breite und Höhe, auf Halblei­ teroberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleitermaterial ver­ wendet wird, das aus mindestens zwei und vorzugsweise zwei Kompo­ nenten besteht, also ein Verbindungshalbleiter ist und - gegebenenfalls neutralisierte - Edelgasionen aus einer Ionenquelle mit einer Energie von 10 bis 50 000 eV, insbesondere 50-2000 eV auf dieses Verbindungs­ halbleitermaterial gerichtet werden, mit denen unter Vakuum mittels Io­ nensputtern die Oberfläche des Materials soweit abgetragen wird, dass die Nanometer-Struktur vorliegt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minde­ stens zwei Komponenten des Halbleitermaterials verschiedene Abtrags­ raten für das verwendete - und gegebenenfalls neutralisierte - Sputterion aufweisen, wobei die Abtragsrate der präferienziell gesputterten Kompo­ nente mindestens 3%, vorzugsweise mindestens 5%, insbesondere min­ destens 7% und eventuell mindestens 10% grösser ist als die der ande­ ren Komponente und die Komponente mit der geringeren Abtragsrate, welche sich auf der Oberfläche anreichert, auf dieser Oberfläche eine Tendenz zur Ansammlung zeigt, insbesondere die Oberfläche nur unvoll­ ständig benetzt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minde­ stens zwei Komponenten des Halbleitermaterials verschiedene Atomma­ ssen aufweisen, wobei die Atommasse der einen Komponente mindestens um 10%, vorzugsweise um 20% und insbesondere um 50% geringer ist die der anderen Komponente und die Komponente, welche sich auf der Oberfläche anreichert, auf dieser Oberfläche eine Tendenz zur Ansam­ mlung zeigt, insbesondere die Oberfläche nur unvollständig benetzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halblei­ termaterial ein Verbindungshalbleiter, insbesondere ein III-V Verbin­ dungshalbleiter und vorzugsweise GaSb, GaP, InP oder InSb verwendet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ionen­ quelle Ar⁺-Ionen verwendet werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma- Ionen-Sputtersystem verwendet wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, das insbesondere zur Herstellung von Quantenpunkten, nämlich isolierten Inseln eines Halbleitermaterials auf einer unterlagerten Schicht eines anderen Halbleitermaterials dient, da­ durch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial für die Bearbeitung ein Material aus mindestens zwei Schichten verwendet wird, das insbeson­ dere durch epitaktisches Aufwachsen einer zweiten Schicht erhalten wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 5, das vorzugsweise zur Herstellung von Quantenpunkten dient, dadurch gekennzeichnet, daß als Material GaSb, GaP, InP oder InSb auf einem Halbleitermaterial mit einer grösseren Bandlücke als dieses Material, insbesondere GaSb auf AlSb, GaSb auf GaAs oder GaSb auf GaP verwendet wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 5, insbesondere zur Herstellung von Multila­ gen von Quantenpunkten auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination einer Anlage zum Ionensputtern und zur Depositi­ on verwendet wird und abwechselnd mit der Anlage auf das Substrat ein Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere Material GaSb, InSb oder InP abgetragen und deponiert wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Über­ tragung der Nanostrukturen auf ein darunterliegendes Material zu­ nächst ein Verbindungshalbleitermaterial auf das darunterliegende Ma­ terial aufgebracht wird und die Nanometerstruktur durch abtragendes Bearbeiten dieses Verbindungshalbleitermaterials und durch fortgesetz­ tes Abtragen auf das darunterliegende Material übertragen wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als abzu­ tragendes Material GaSb mit einer Schichtdicke von mindestens einigen 10 nm bis zu vielen 100 nm, vorzugsweise mindestens 250 nm verwendet wird und dass GaSb epitaktisch oder amorph auf das darunterliegende Material aufgebracht wird.

12. Verwendung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 bei der Herstellung von optischen oder elektronischen Bauelementen, insbesondere Verwendung von Multilagen von Quantenpunkten bei derartigen Bauelementen.

13. Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruchs 1 einer Nanometertextu­ rierung von Oberflächen zur Effizienzsteigerung von Leuchtdioden oder Solarzellen.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprü­ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenhalter (24) für eine Probe (26) mit zumindest einer Oberflächenschicht aus einem Verbin­ dungshalbleitermaterial in einer Vakuumkammer (Wand 44) angeordnet ist und dass eine Ionenquelle vorgesehen ist, mit der Edelgasionen mit einer Energie von 50-2000 eV erzeugt werden können und deren Ionen­ strahl auf die Probe (26) gerichtet ist.