DE4200193C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von punktförmigen Quanten-Bauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von punktförmigen Quanten-Bauelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Festkörperphysik ist bekannt, daß die elektro­ nischen Eigenschaften von Materialien von dem Frei­ heitsgrad der Elektronen im Material abhängen. Wird die Zahl der elektronischen Dimensionen von den in üblichen Festkörpern vorhandenen Dreidimensionen auf Zwei-, Ein- oder Nulldimensionen reduziert, verändert sich die Zahl der möglichen energetischen Zustände der Elektronen in dem Material. Während in einem dreidimensionalen Fest­ körper die Elektronen innerhalb der Elektronenbänder beliebige Energiewerte annehmen können, sind die ver­ fügbaren Energiewerte bei einem punktförmigen Quanten- Bauelement, das null elektronische Dimensionen auf­ weist, auf diskrete Energieniveaus reduziert.

Beim Übergang von Elektronen von einem Energieniveau in ein anderes werden elektromagnetischen Wellen absor­ biert oder ausgesendet, deren Energie der Differenz der Energieniveaus entspricht. Deshalb können punktförmige Quanten-Bauelemente als selektive Strahlungsabsorber oder Lichtquellen bestimmter Frequenzen Verwendung finden.

Durch ihre besonderen elektronischen Eigenschaften eignen sich punktförmige Quanten-Bauelemente für den Einsatz in den verschiedenen Produkten wie Laser, pho­ tographische Filme, magnetische Speicher, Supercomputer und chemische Sensoren.

Während zweidimensionale Elektronensysteme durch Ab­ scheiden dünner Schichten auf einem Substrat herge­ stellt werden können, erweist sich die Herstellung punktförmiger Quanten-Bauelemente weitaus schwieriger.

Dabei spielt eine wesentliche Rolle, daß sich ein ein­ zelner Quantenpunkt allein für Anwendungen nicht eig­ net. Es müssen Wege gefunden werden, Scharen von Quan­ tenpunkten herzustellen und sie stabil zu Quanten- Bauelementen zu vereinen.

Eine Möglichkeit punktförmige Quanten-Bauelemente zu realisieren besteht in der Ausbildung von Clustern mit einer Größe von einigen zig bis einigen hundert Atomen. Durch die DE 33 41 560 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Clustern bekannt geworden, bei welchem Metallcluster in der Gasphase erzeugt und mittels Plasmaentladung in einer Polymer­ struktur eingebaut werden. Allerdings stellt dieses Verfahren nicht auf die Herstellung von punktförmigen Quanten-Bauelementen sondern auf die Herstellung von Katalysatoren ab. Dabei wird ausgenutzt, daß Cluster eine extrem große Oberfläche aufweisen.

Für die Herstellung von Quanten-Bauelementen ist dieses Verfahren nicht geeignet, da die Größe der erzeugten Cluster in einem großen Bereich variiert. Um Cluster für elektronische oder optische Elemente einsetzen zu können, dürfen sich die Cluster in ihrer Größe nicht wesentlich unterscheiden.

In der DE 41 02 573 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von punktförmigen Quanten-Bauelementen bekannt, bei dem durch eine Clusterionenquelle ionisierte Cluster unterschiedlicher Größe erzeugt und diese in einem elektrischen Feld erst beschleunigt und dann in einem magnetischen Feld so abgelenkt werden, daß nur Cluster gleicher Größe auf einem Substrat abgeschieden werden. Bei diesem Verfahren ordnen sich die erzeugten Cluster von ungefähr gleicher Größe nicht notwendigerweise zweidimensional regelmäßig. Des weiteren wird mit diesem Verfahren ein relativ großer apparativer Aufwand getrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Clustern der aus der DE 33 41 560 A1 bekannten Art derart weiterzubilden, daß sich die damit hergestellten Cluster für den Einsatz als punktförmiges Quanten-Bauelement eignet.

Diese Aufgabe nach dem Anspruch 1 durch ein Verfahren zur Herstellung von punktförmigen Quantenbauelementen gelöst, bei dem durch simultane Abscheidung eines clusterbildenden Substanz auf ein Substrat und Polymerisation organischer Monomere mittels Plasmaentladung eine Polymerstruktur mit eingelagerten Clustern gebildet wird und bei dem die Verteilung der Größe der Cluster durch Koaleszenz benachbarter Cluster im Elektronenstrahl eingeengt wird.

Nach Anspruch 2 wird auf der Substratoberfläche vor dem Abscheidevorgang ein Raster von Defekten erzeugt, deren Größe wenige Atomdurchmesser mißt. Die Oberflächende­ fekte dienen als bevorzugte Orte für die Einlagerung der Cluster. Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens kann die Vorzugslage der Cluster bei der Abscheidung beeinflußt werden. Durch die Rasterform kann somit die Anordnung der Cluster in der Polymerschicht vorgegeben werden, die im wesentlichen Einfluß auf die Eigenschaf­ ten des punktförmigen Quanten-Bauelements hat.

Gemäß Anspruch 3 erfolgt die Bearbeitung der Substrato­ berfläche unter dem Raster-Tunnel-Mikroskop. Dabei wird von der Raster-Tunnel-Lithographie Gebrauch gemacht.

Gemäß Anspruch 4 werden die in der Polymerstruktur eingelagerten Cluster mit Hilfe von Laserstrahlung in vorgebbare Positionen ge­ schoben. Dadurch wird erreicht, daß die Cluster eine gewünschte Struktur auf der Oberfläche bilden. Ebenso können Abweichungen der Clusterpositionen von vorgege­ benenen Rasterpunkten ausgegeben werden.

Um die Verschiebung der Cluster zu erleichtern wird ein Plasmapolymer mit niedriger Glastemperatur ausgewählt. Dadurch ist gewährleistet, daß die durch die Laser­ strahlung aufgebrachte Energie ausreicht, die Cluster zu verschieben.

Die Verschiebung der Cluster kann auch durch Auswahl eines Plasmapolymers unterstützt werden, daß sich durch eine geringe Haftung der Cluster an der Polymerober­ fläche auszeichnet.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 5 wird die Polymerstruktur durch Elektrodenstrahlbearbei­ tung in einem vorgebbaren zweidimensionalen Muster ausgehärtet. Anschließend wird eine räumlich definierte Menge von Clustern zur Koaleszenz geführt. Dadurch wird eine gewünschte Anordnung von Clustern annähernd glei­ cher Größe erzeugt.

Nach Anspruch 6 wird je nach Anwendungszweck als clu­ sterbildende Substanz ein Metall, ein Elementhalbleiter oder eine halbleitende Ver­ bindung verwendet. Der Elementhalbleiter kann beispielsweise Silber sein.

Um die clusterbildende Substanz auf der Substratober­ fläche abscheiden zu können muß sie verdampft werden. Bei dem Verfahren nach Anspruch 7 erfolgt die Verdamp­ fung thermisch, vorzugsweise mittels eines konventio­ nellen Hochstromverdampfers. Die Verdampfung kann je­ doch auch mit Hilfe von Laserstrahlung erreicht werden. Die Polymerisation der organischen Monomere erfolgt durch Plasmaentladung mit einer Frequenz von 50 Hz.

Im Anspruch 8 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfah­ rens bestehen darin, daß verglichen mit den Verfahren der Mikrostrukturtechnik, insbesondere Lithographie- und Ätzverfahren, auf einfache Weise Anordnungen von Quan­ tenpunkten erzeugt werden können, die in Quanten-Bau­ elementen einsetzbar sind. Durch das Verfahren können sowohl beliebige Anordnungen von im wesentlichen gleich großen Clustern erzeugt werden, als auch ineinander­ greifende Systeme von Clustern mit jeweils unterschied­ licher Clustergröße.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können punktförmige Quantenbauelemente hergestellt werden, die als Strahlungsempfänger einsetzbar sind. Hierzu werden Cluster aus halbleitenden Materialien ausgebildet, deren Leitungsband ein diskretes Niveauspektrum auf­ weist, daß als selektiver Strahlungsabsorber wirkt.

Die diskreten Energieniveaus des Leitungsbandes können auch für definiertes Einschreiben und Auslesen diskre­ ter Anregungszustände verwendet werden, weshalb ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Quanten-Bauelement als schneller optischer Schalter eingesetzt werden kann.

Anordnungen von halbleitenden oder leitenden Clustern lassen sich auch als sensitives Material für chemische Sensoren einsetzen, beispielsweise bei dielektrischen Sensoren als dünner Film auf Interdigitalkondensatoren oder MISFET′s.

Ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird anschließend näher erläutert. In der Hochvakuumanlage wird im Hochstromverdampfer eine clusterbildende Sub­ stanz, z. B. Silber verdampft. Die verdampften Silber­ atome gelangen durch die Aussparung der unteren Elek­ trodenplatte zwischen die beiden Elektrodenplatten. Auf dem Weg in den Plattenzwischenraum kühlt der Silber­ dampf ab und beginnt Cluster verschiedener Größen aus­ zubilden. Gleichzeitig wird zwischen die Platten ein Strom organischer Monomere eingeleitet. Durch die Plas­ maentladung zwischen den Platten bilden sich an den Elektroden Polymerschichten mit eingelagerten Clustern. Die Anzahl der eingelagerten Cluster hängt von der Intensität der thermischen Verdampfung der clusterbil­ denden Substanz und von der Polymerisationsgeschwindig­ keit ab. Durch die gewählte Geometrie der Anordnung sind Schichten mit beliebigen Volumenanteil der Cluster in der Polymerschicht (Füllfaktor) möglich. An der Unterseite der oberen Elektrode entstehen Schichten mit konstanten Füllfaktor, an der Oberseite der unteren Elektrode Schichten mit sich kontinuierlich verändern­ dem Füllfaktor. Die eingelagerten clusterbildenden Substanzen liegen als durch die Polymerschicht isolier­ te Cluster vor.

Durch Behandlung mit einem Elektronenstrahl werden geeignete benachbarte Cluster durch Koaleszenz derart vereint, daß eine große Anzahl von Clustern derselben Größe entsteht. Die mit dem Verfahren herstellbaren bevorzugten Clustergrößen betragen ca. zwischen einigen 10 und einigen 100 Atomen.

Durch Verschieben der Cluster mit Hilfe einer Laser­ strahlung können die Cluster in eine gewünschte Anord­ nung gebracht werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von punktförmigen Quan­ ten-Bauelementen, bei welchem durch simultane Abschei­ dung einer clusterbildenden Substanz auf ein Substrat und Polymerisation organischer Monomere mittels Plasma­ entladung eine Polymerstruktur mit eingelagerten Clustern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Größe der Cluster durch Koaleszenz benachbarter Cluster im Elektronenstrahl eingeengt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abscheidevorgang auf der Substratoberfläche ein Raster von Defekten mit einer Größe von wenigen Atomdurchmessern erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster durch Bearbei­ tung unter einem Raster-Tunnel-Mikroskop erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Cluster in der Polymer­ struktur mittels Laserstrahlung in vorgebbare Positio­ nen geschoben werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerstruktur durch Elektronenstrahlbearbeitung in einem vorgebbaren zwei­ dimensionalen Muster ausgehärtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als clusterbildende Sub­ stanz ein Metall, ein Element-Halbleiter oder eine halbleitende Verbindung verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der clu­ sterbildenden Substanz diese Substanz thermisch ver­ dampft wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Hochvakuumanlage zwei parallele Plattenelektroden horizontal angeordnet sind, wobei die untere Elektrode eine rechteckige Aus­ sparung aufweist, daß unterhalb der Aussparung ein Hochstromverdampfer angebracht ist und daß eine Hoch­ stromquelle vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Plat­ tenelektroden mit einer Wechselhochspannung beauf­ schlagbar sind.