Die Epitaxie einer kristallinen Schicht auf einem kristallinen Substrat wird häufig zur Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen eingesetzt und ist heutzutage von großer Bedeutung für die Produktion funktionaler Halbleiterbauelemente. Allerdings schränken die hohen Substratkosten sowie thermische oder gitterstrukturelle Unterschiede zwischen Substrat und epitaktischer Schicht oft die Herstellung komplexer Bauteile ein.
Vor Kurzem wurde die Remote-Epitaxie als eine fortschrittliche Halbleiterfertigungstechnik vorgeschlagen, die das Wachstum hochwertiger einkristalliner Filme auf einem Substrat ermöglicht, während die gewachsene Schicht leicht vom Substrat abgetrennt werden kann. Remote-Epitaxie basiert typischerweise auf Graphen – einer einzelnen Schicht aus verbundenen Kohlenstoffatomen –, die vor dem Wachstum auf das Substrat aufgebracht wird und als extrem dünne Trennschicht zwischen epitaktisch gewachsenem Film und Substrat fungiert. Allerdings erfordern bisherige Verfahren entweder die manuelle Übertragung von Graphen oder ein Graphen Wachstum bei hohen Temperaturen. Dies erschwert und limitiert die Anwendung der Remote Epitaxie deutlich.
Forscher*innen der Universität Paderborn haben nun eine neue Methode entwickelt, bei der ultradünne amorphe Kohlenstofffilme eingesetzt werden, welche eine extrem dünne Graphen Schicht nachbilden und als universelles Substrat für die Remote-Epitaxie genutzt werden können. Mithilfe der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung erzeugten sie glatte, ultradünne amorphe Kohlenstoffschichten auf III-V-Halbleitersubstraten wie GaAs und InP. Die Forscher*innen demonstrierten erfolgreich hochqualitatives Wachstum sowie das Ablösen epitaktischer Filme vom Substrat, was den Weg für die Herstellung freistehender, vielseitiger Halbleiterstrukturen ebnet.
Ein zentraler Vorteil dieser Methode ist die Kompatibilität mit temperaturempfindlichen Substraten, insbesondere GaAs und InP, die häufig in optoelektronischen und photonischen Bauelementen verwendet werden. Zudem zeigt die Studie, dass die amorphe Kohlenstoffschicht nach dem Ablösen der epitaktischen Schicht intakt bleibt, sodass die Substrate mehrfach wiederverwendet werden können. Dies senkt die Herstellungskosten erheblich.
Insgesamt stellt diese Arbeit eine kosteneffiziente und skalierbare Alternative für die Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen dar. Sie bietet vielversprechende Anwendungen in der Optoelektronik, flexiblen Elektronik und modernen photonischen Bauelementen und könnte zu einer effizienteren und nachhaltigeren Halbleiterproduktion beitragen.
https://doi.org/10.1038/s43246-024-00718-7
Autoren: T. Henksmeier, P. Mahler, A.Wolff, D. Deutsch, M. Voigt, L.Ruhm, A.M. Sanchez, D. J. As, G. Grundmeier, D. Reuter
