Die atomare Struktur von Quantenpunkten

Wissenschaftler des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft ist es gelungen, die atomare Struktur von Quantenpunkten aus dem Halbleitermaterial Indiumarsenid zu entschlüsseln. 

Quantenpunkte aus Halbleiterkristallen sind winzige, aus nur einigen zehntausend Atomen bestehende „Inseln“ - noch hundertmal kleiner als die derzeitigen Bauelemente der Mikroelektronik. Mit ihren Abmessungen von nur wenigen Nanometern (millionstel Millimeter) besitzen diese ultrakleinen Systeme grundlegend neue physikalische Eigenschaften. Bereits bei Zimmertemperatur wirken Quantenpunkte als Käfige für Elektronen. Darin können sich die Ladungsträger nicht mehr frei bewegen, ihre Energie ist vollständig „quantisiert“. Quanteneffekte bestimmen in solchen Nanokristallen aus Halbleitermaterial das Geschehen.

In Quantenpunkten können Elektronen nur noch ganz bestimmte - diskrete - Energieniveaus besetzen. Das sind Bedingungen wie in einem einzelnen Atom. Springt beispielsweise ein Elektron vom höheren in den niedrigeren Energiezustand, wird der Energieunterschied in Form von Licht ausgestrahlt. Quantenpunkte eignen sich daher besonders als aktives Medium für Halbleiterlaser. Nanostrukturen aus Halbleitermaterialien gelten deshalb als Schlüsseltechnologie für künftige Bauelemente der Quanten- und Opto-Elektronik, sie stehen weltweit im Mittelpunkt intensiver Forschungen. 

Quantenpunkte

Voraussetzung für den technischen Einsatz von Quantenpunkten ist die genaue Kenntnis des atomaren Aufbaus der Halbleiter- Nanokristalle. Auf dieser winzigen Größenskala ist eine gezielte Strukturierung mit Werkzeugen oder Masken, wie sie etwa aus der Produktion von Mikrochips bekannt ist, praktisch nicht möglich. Die dafür bisher vor allem eingesetzten Ätzverfahren verursachen zu viele Defekte in den Strukturen und machen sie damit unbrauchbar. Vielmehr werden die natürlichen Ordnungskräfte beim Wachstum von Halbleitern ausgenutzt.

Ohne fremde Einwirkung entstehen solche Quantenpunkte selbstorganisiert, sie bilden sich also quasi von alleine. Dabei ist es für technologische Anwendungen (etwa in Lasern) wichtig, dass die so erzeugten Quantenpunkte eine möglichst gleichartige, regelmäßige Form und eine vorherrschende Orientierung erhalten. Doch diese selbstständig ablaufenden Mechanismen, die zur Bildung der Inseln im Halbleiter führen, konnten bisher nur unvollständig nachvollzogen werden. Mit der Entschlüsselung der genauen Struktur von Indiumarsenid-Quantenpunkten sind Wissenschaftler um Karl Jacobi am Berliner Fritz-Haber-Institut der Max- Planck-Gesellschaft einen wichtigen Schritt vorangekommen.

Mithilfe der Molekularstrahl- Epitaxie (MBE) werden Quantenpunkte aus Indiumarsenid hergestellt, indem eine geringe Menge Indiumarsenid (InAs) auf eine Unterlage aus Galliumarsenid (GaAs) aufgebracht wird. Dabei bedeckt nur die erste atomardünne InAs- Schicht die Unterlage gleichmäßig. Danach läuft das weitere InAs zu winzigen kristallinen Inseln, den Quantenpunkten, zusammen. Diese Nanoberge wurden von den Berliner Wissenschaftlern mit der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops abgetastet. Bei dieser Technik entsteht von der Oberfläche eine Abbildung, die einzelne Atome zeigt. Allerdings ist die Interpretation dieser Bilder sehr schwierig und nicht immer eindeutig.

Parallel dazu untersuchten die Wissenschaftler daher Oberflächen von Galliumarsenid; es hat sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie Indiumarsenid. Dabei entdeckten die Max- Planck-Forscher eine völlig neue stabile GaAs-Oberfläche. Ein Vergleich der entsprechenden Aufnahmen aus dem Rastertunnelmikroskop lieferte dann den Schlüssel zum atomaren Aufbau der InAs-Quantenpunkte: Sowohl die neue Oberfläche als auch die Seitenflächen der "Nanoberge" weisen außergewöhnliche Orientierungen auf, die bisher nicht beobachtet worden waren. In der Sprache der Kristallographen werden die GaAs-Oberfläche mit (2 5 11) und die InAs-Seitenflächen mit (137) bezeichnet. Die Zahlenkombinationen beschreiben dabei jeweils eine Richtung im dreidimensionalen Raum.

Kristalle können in verschiedenen Orientierungen geschnitten werden. Dadurch entstehen verschiedene Oberflächen, die sich durch die Anordnung ihrer Atome unterscheiden. Aber nicht jede der möglichen Oberflächen ist stabil. Den Atomen an der Oberfläche eines Kristalls fehlen im Vergleich zu den Atomen im Inneren Bindungspartner. So entstehen offene Bindungen, die energetisch ungünstig sind. Deshalb sind viele Oberflächen instabil. Als Modell für den GaAs-Kristall und den gleichartigen InAs-Kristall kann im einfachsten Fall ein Würfel angenommen werden. Seine Oberfläche wird als (001)-Fläche bezeichnet. Normalerweise werden nur solche Oberflächen untersucht und technologisch eingesetzt, die den Seiten- oder Diagonalflächen des Würfels entsprechen. Diese Oberflächen sind stabil. Von allen anderen, schräg im Würfel liegenden Flächen wird generell erwartet, dass sie in kleine Facetten der stabilen Oberflächen zerfallen.

Die Berliner Wissenschaftler fanden jetzt erstmals eine stabile GaAs-Oberfläche, die "sehr schräg" im Kristallwürfel liegt. Mit der Analyse der Oberflächenstruktur und theoretischen Berechnungen von Peter Kratzer konnten die Physiker das generelle Verständnis von Halbleiter-Oberflächen verbessern. Solche Erkenntnisse werden für die Halbleiter-Industrie zunehmend wichtig, da die Strukturen elektronischer Bauelemente immer kleiner werden und damit der Anteil von Ober- und Grenzflächen ständig zunimmt.

Darüber hinaus lieferten diese Oberflächenuntersuchungen auch wichtige Hinweise für den Entstehungsprozess der InAs-Quantenpunkte. Die Wissenschaftler des Fritz- Haber-Instituts fanden heraus, dass (137)-Bereiche nur bis zu einer bestimmten, sehr kleinen Ausdehnung stabil bleiben. Dies könnte möglicherweise erklären, warum alle Quantenpunkte ungefähr dieselbe Größe haben.

Für technologische Anwendungen werden die Nanoberge aus InAs mit GaAs zugedeckt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser beiden Materialien werden Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in den InAs-Quantenpunkten „eingesperrt“. Wegen der winzigen Ausdehnung der Inseln kommen dabei die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik zum Tragen, und die Ladungsträger können nur bestimmte Zustände einnehmen. Die Entdeckungen der Berliner Physiker könnten auf längere Sicht Halbleiter-Laser entscheidend verbessern: Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts hängt nämlich von Form und Größe der als Lasermedium eingesetzten Quantenpunkte ab. Ein Ziel von weiteren Untersuchungen wird deshalb sein, die spontanen Bildungsprozesse dieser winzigen Nanoberge so zu steuern, dass Bauelemente möglich werden, die mit hoher Effizienz Licht auch in Farben liefern, die für herkömmliche Halbleiterlaser bisher unerreichbar waren.