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Hetero-epitaktische Abscheidung von Diamant auf Silicium

Kürzlich wurde ein Verfahren gefunden, Diamantschichten orientiert auf einkristallinem Silicium aufwachsen zu lassen. Damit ist ein wichtiger Schritt auf dem Wege zu einer Elektronik getan, die mit Diamant als hochwertigem Halbleitermaterial arbeitet.


Diamantschichten könnten große Bedeutung als aktives Halbleitermaterial für eine Diamantelektronik gewinnen. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß sie sich geeignet dotieren und hinreichend defektfrei produzieren lassen. Außerdem muß es möglich sein, sie orientiert auf einkristallinen Fremdsubstraten abzuscheiden – der Fachbegriff dafür ist Hetero-Epitaxie (siehe "Diamant aus heißen Gasen" von Peter K. Bachmann und Ute Linz, Spektrum der Wissenschaft, September 1992, Seite 30).

Weltweit wurde in zahlreichen Forschungs- und Entwicklungslaboratorien über viele Jahre erfolglos an der Hetero-Epitaxie von Diamant auf einem preiswerten, in großen Abmessungen herstellbaren Substratmaterial gearbeitet. Deshalb muß es als großer Durchbruch gelten, daß Xin Jiang und seine Mitarbeiter am Hamburger Laboratorium des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) in Braunschweig nun erstmals orientierte Diamantschichten auf Silicium erzeugen konnten. Der chinesische Wissenschaftler untersucht mit seiner Arbeitsgruppe im Rahmen eines vom Bundesministerium für Forschung und Technologie und von der Daimler-Benz AG geförderten Verbundprojekts zum Thema "Diamant als Elektronikmaterial" unter anderem den Einfluß einkristalliner Substrate auf die Orientierung der aufwachsenden Diamantkristallite .

Diamant besteht aus einem dreidimensionalen kubischen Gitter von Kohlenstoffatomen; die kleinste Baueinheit dieses Gitters, die sogenannte Elementarzelle, ist ein Würfel mit einer Kantenlänge von 0,356 Nanometern (millionstel Millimetern). Ausgehend von der Vorstellung, daß die Hetero-Epitaxie am besten möglich sei, wenn aufwachsende Schicht und Substrat möglichst gleiche Gitterabmessungen hätten, studierten viele Arbeitsgruppen das Wachstum von Diamant auf einkristallinen Unterlagen, deren Gitterkonstante ungefähr mit der von Diamant übereinstimmt. Versuche mit kubischem Bornitrid (Kantenlänge 0,361 Nanometer) ergaben dabei – nach der Homo-Epitaxie auf Diamant selbst die besten Ergebnisse; allerdings ist dieses Material nur in Kriställchen mit Abmessungen von einigen zehntel Millimetern erhältlich. Auf Nickel-Einkristallen (Kantenlänge 0,352 Nanometer) scheidet sich dagegen bevorzugt Graphit statt Diamant ab.

Jiang verwarf die Vorstellung, daß das orientierte Wachstum eines kristallinen Materials auf einer einkristallinen Unterlage eine gute Anpassung der Gitterkonstanten erfordere. Dabei stützte er sich auf viele in der Fachliteratur dokumentierte Gegenbeispiele; so kann jedes Alkalihalogenid – eine salzartige Verbindung aus einem Alkalimetall (wie Natrium oder Kalium) und einem Halogen (wie Chlor, Brom oder Jod) – auf jedem anderen aus der Gasphase heteroepitaktisch abgeschieden werden, obwohl sich die Gitterkonstanten um bis zu 90 Prozent unterscheiden. Bei der Auswahl potentieller Substratmaterialien legte Jiang deshalb größeren Wert auf die Möglichkeit einer chemischen Bindung zwischen den Substrat- und den Kohlenstoffatomen der Diamantschicht als auf eine passende Gitterkonstante.

Damit auf einer Oberfläche eine geschlossene Diamantschicht entstehen kann, müssen genügend Kristallisationskeime vorhanden sein. Bei den meistgenutzten Abscheidungsprozessen bilden sich die benötigten Diamantkeime auf einem Fremdsubstrat jedoch nur äußerst langsam. Deshalb wird die Schichtbildung üblicherweise dadurch unterstützt, daß man das Substrat vorher mit Diamantpulver poliert. Der Kohlenstoff aus der Gasphase scheidet sich dann vorwiegend an den auf der Unterlage zurückbleibenden submikroskopischen Diamantpartikeln ab. Da diese aber ganz zufallig orientiert sind, ist ein epitaktisches Wachstum so nicht zu erzielen.

Am IST wurde deshalb ein Verfahren zur Bekeimung der Siliciumsubstrate entwickelt, das eine mechanische Vorbehandlung erübrigt. Für die Bildung orientierter Keime sorgt dabei ein negatives elektrisches Potential am Substrat in Verbindung mit einer noch höheren Kohlenstoffübersättigung in der plasmaaktivierten Gasphase als sonst üblich. Offenbar wird durch eine verstärkte Extraktion positiver Ionen aus dem Plasma, die das Silicium mit Energien im Bereich von 10 bis 100 Elektronenvolt bombardieren, die Keimbildung angeregt. Details des Prozesses bedürfen allerdings noch der Klärung.

Das nebenstehende Bild zeigt die Oberfläche einer mit diesem Verfahren und einem darauf abgestimmten Abscheidungsprozeß erhaltenen Diamantschicht von etwa vier Mikrometern (tausendstel Millimetern) Dicke auf einem Siliciumsubstrat. Man erkennt schon visuell, daß die Schicht zu 80 bis 90 Prozent orientiert aufgewachsen ist.

Wissenschaftler des Forschungslabors der Daimler-Benz AG in Ulm, das in dem Verbundprojekt die Arbeiten der beteiligten Laboratorien koordiniert, haben die Proben eingehend röntgenographisch und spektroskopisch untersucht und dabei auch Aufschluß über die Orienderungsbeziehung zwischen Schicht und Substrat erhalten: Die Elementarzellen der beiden Kristallgitter sind überwiegend so ausgerichtet, daß die Würfelkanten parallel zueinander verlaufen.

Das in diesem Fall zu beobachtende Diarnantwachstum ist vom sogenannten Volmer-Weber-Typ: Es bilden sich einzelne orientierte Keime, die an Zahl und Größe zunehmen, bis sie schließlich zu einem kohärenten Film zusammengewachsen sind. Dieser Wachstumsmodus dominiert, wenn die Bindung zwischen den Schichtatomen untereinander fester ist als die zu den Atomen des Substrats. Er bringt es mit sich, daß bei der Koaleszenz der einzelnen Kristallite durch Fehlorientierung oder Versatz der Atomlagen Gitterdefekte Versetzungen oder Stapelfehler – auftreten können.

Deshalb zielen die Arbeiten im IST und bei Daimler-Benz derzeit nicht nur darauf ab, die Herstellungsbedingungen zu optimieren und den Keimbildungsmechanismus genauer zu erforschen, sondern gelten vor allem auch den elektrischen und thermischen Transporteigenschaften dieser Schichten. Hinweise in der Fachliteratur lassen erwarten, daß Defekte an den Korngrenzen epitaktischer Schichten deren physikalische Eigenschaften viel weniger beeinträchtigen als weitwinklige Korngrenzen in polykristallinen Schichten mit statistisch orientierten Kristalliten. In weiteren Untersuchungen soll außerdem geklärt werden, inwiefern die gelungene Hetero-Epitaxie auf Silicium das Anwendungspotential von Diamantschichten insgesamt erweitert.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1993, Seite 18
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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