Nanosäulen leuchten besser ohne Gold

29.06.2011: Säulen aus Galliumarsenid sind eine Alternative zu Schichten, denn sie wachsen auch auf Silizium in guter Qualität. Forscher des Paul-Drude-Instituts konnten jetzt den Nachweis erbringen, dass der häufig verwendete Goldkatalysator die Eigenschaften der Säulen empfindlich stört.

Alle wollen es – nur die Halbleiterphysiker nicht. Für sie ist Gold nicht das geliebte Edelmetall, sondern ein Störenfried, der die elektronischen Eigenschaften ihrer Materialien verschlechtert. Trotzdem verwenden sie Gold häufig als Katalysator für das Wachstum von Nanosäulen – weil das so schön einfach geht. Das Gold wird auf einer Unterlage abgeschieden und erhitzt. Es fließt zu kleinen Tröpfchen zusammen, welche als Keime für das Säulenwachstum dienen. Die Säulen schieben das Gold während des Wachstums wie eine kleine Kappe nach oben.

Wahrscheinlich wandert das Gold dabei auch in das Säulenmaterial. Experimentell nachweisen kann man das aber nur schwer. „Für einen direkten Nachweis von Gold im Halbleiter bräuchte man eine Methode mit sehr hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung“, sagt Dr. Lutz Geelhaar vom PDI. Schließlich liegt nur wenige Nanometer von der Messstelle entfernt das Goldkäppchen, welches die Messungen verfälschen kann.

Die PDI-Forscher fanden jetzt bei Galliumarsenid(GaAs)-Säulen indirekte Hinweise auf den Einbau von Gold. GaAs dient unter anderem als Material für Leucht- und Laserdioden sowie für Solarzellen hoher Effizienz, wie sie in Satelliten verwendet werden. Damit Halbleiter wie GaAs auch auf Silizium wachsen, arbeiten Forscher zunehmend daran, sie nicht als Schicht sondern als Säulen zu züchten. Hier wirken sich Verspannungen auf Grund unterschiedlicher Kristallgitter nicht so stark aus.
Die Forscher verglichen die Eigenschaften von GaAs-Säulen, die mit Gold gewachsen waren und solchen, bei denen reines Gallium als Keim diente. Mittels Photolumineszenzmessungen bestimmten sie, wie viel Licht die Säulen nach Anregung durch einen Laserstrahl aussandten. Die Messmethode beruht darauf, dass Halbleiter nach energetischer Anregung Elektronen und Löcher bilden, die sich dann wieder vereinigen und dabei Licht aussenden.

Es zeigte sich, dass die goldfreien Säulen über hundertmal mehr Licht abgaben als die mit Gold gewachsenen. Auch die Lebensdauer der Ladungsträger im goldfreien Halbleiter war viel größer – die Säulen strahlten 3 Nanosekunden lang. Mit Gold war dagegen bereits nach 8 Pikosekunden alles vorbei, was rund vierhundert Mal kürzer ist. Die Intensität des Lichtes und die Abklingdauer sind ein Maß für die optoelektronischen Eigenschaften des Materials, die sogenannte interne Quanteneffizienz. „Diese großen Unterschiede hätten wir nicht erwartet“, so Geelhaar. Er betont, dass das Verfahren kein direkter Nachweis für Goldatome im Halbleiter ist. „Aber alles spricht dafür, dass die drastischen Eigenschaftsveränderungen auf das Gold zurückzuführen sind.“

Die Lebensdauer der Ladungsträger verglichen die Forscher auch mit Werten aus der Literatur für vergleichbare Schichten: „Unsere goldfreien Säulen übertreffen die Schichten auf Silizium sogar schon“, so der Physiker. Vieles spricht also dafür, dass Säulen die Schichten einmal ersetzen können. Unter einer Bedingung: Man lässt das Gold weg.

Originalveröffentlichung:
Nano Letters 2011, 11, 1276–1279