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    Mit Diamanten ein Vermöge aufbauen! - 500 Beiträge pro Seite

    eröffnet am 22.11.02 12:43:28 von
    neuester Beitrag 22.11.02 12:52:45 von
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      schrieb am 22.11.02 12:43:28
      Beitrag Nr. 1 ()
      Gasphasenabscheidung von Diamant

      Es ist ein Material, das die Menschen viel länger schon fasziniert, als es die Physik gibt: Diamant. Diese kristalline Modifikation des eher alltäglichen Elementes Kohlenstoff weist in beinahe jeder Hinsicht extreme Materialeigenschaften auf. Diamant ist das härteste bekannte Material, es hat die höchste Wärmeleitfähigkeit (bei Raumtemperatur), besitzt die größte Atomdichte und die höchste Dichte an Valenzelektronen aller bekannten Festkörper. Seine Bandlücke, die wichtigste Kernngröße für einen Halbleiter, ist mit 5.47 eV fünfmal so groß wie die von Silizium (1.10 eV), und das bedeutet, daß es bei weit höheren Temperaturen und Leistungen als Halbleiter noch einsetzbar sein sollte. Ein Defizit aber, das Diamant bis in die achtziger Jahre hinein anhaftete, war, daß es uns nur als seltenes Mineral oder in Form kleinster in einem aufwendigen Hochdruckverfahren unter extremer Temperatur hergestellter Körner zur Verfügung stand. In diesen Modifikationen war Diamant für Halbleiteranwendungen nicht zu gebrauchen. Erst mit der überraschenden Entdeckung, daß Diamant bei geschickter Prozeßführung auch aus einem Gasgemisch von Wasserstoff (H 2 ) und Methan (CH 4 ) als dünne Schicht auf einer Siliziumunterlage abgeschieden werden kann, hat zu Beginn der achtziger Jahre die Perspektive für eine Anwendung als Halbleitermaterial eröffnet; denn H2 und CH4 können in ultrareiner Form als Prozeßgas zur Verfügung gestellt werden, so daß Dotierung durch gezielte Verunreinigung mit Spurenelementen nunmehr möglich ist. Der Wachstumsprozeß ist im Laufe der letzten 15 Jahre außerdem soweit optimiert worden, daß Diamantschichten aus einzelnen, parallel angeordneten Kristalliten synthetisiert werden können, die bis zu mehreren Mikrometern groß sind. Die Abbildung auf dieser Seite zeigt eine Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer solchen Diamantschichte, wie sie am Institut für Technische Physik II hergestellt werdenworden ist. Die Elektonenmikroskop-Aufnahme darunter zeigt (in Falschfarbendarstellung) einen isoliert gewachsenen Diamantkristallit mit sehr gut ausgeprägten Facetten.

      Elektronenmikroskop-Aufnahme einer 80 m m dicken Diamantschicht, die aus einer Methan/Wasserstoff- Atmosphäre auf einem Siliziumsubstrat abgeschieden wurde. An der Oberfläche besteht der Film aus nahezu parallelen (100) Facetten, die sich allerdings erst durch überwachsen von fehlorientierten Kristalliten herausbilden konnten. Deswegen ist der substratseitige Bereich des Filmes überwiegend ungeordnet und feinkristallin.


      Falschfarbenaufnahme eines freistehenden Diamant-Kristalliten. Gut zu erkennen sind die hexagonalen (111)-Facetten und die quadratischen (100) Facetten, die die Symmetrie der jeweiligen Oberflächenschnitte wiederspiegeln





      Die elektronischen Eigenschaften solcher Diamantschichten werden am Institut für Technische Phsik mit einer Vielfalt von Methoden untersucht, die ein möglichst facettenreiches Bild von diesem alten und doch so neuen Material liefern. Zu diesen Methoden zählen die Photoelektronenspektroskopie, verschiedene optische Methoden wie Photoleitungs-, Infrarotabsorptions-, und Kathodolumineszensspektroskopie, die Beugung und die Energieverlustspektroskopie langsamer Elektronen, sowie mikroskopische Techniken wie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (s.u). Die Notwendigkeit, die Ergebnisse all dieser unterschiedlichen physikalischen Methoden zu einem Bild zu vereinen stellt eine hohe Anforderung an Teamgeist und Kommunikationsfähigkeit, aber auch den besonderen Reiz dieses Projektes dar.


      Weiterführende Literatur für interessierte:

      K. Janischowsky, M. Stammler, R. Stöckel, L. Ley: "Growth of High Quality, Large Grain Size Highly Oriented Diamond on Si (100)", Applied Physics Letters 75 (1999) 14.
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      n-typ Dotierung von Diamant

      Mit der oben beschriebenen Fähigkeit, Diamant aus Reinstgasen herzustellen, rücken auch die Möglichkeiten, es durch Fremdelemente zu dotieren und dadurch für alle Arten von Halbleiteranwendungen bereitzustellen, mehr und mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Ein besonderes Problem von Diamant besteht allerdings darin, daß bis vor kurzem nur ein einziges Element bekannt war, welches als Dotierstoff geeignet ist, nämlich Bor. Ein Bor-Atom mit seinen drei Valenzelektronen erzeugt im aus vierwertigem Kohlenstoff aufgebauten Diamant eine Elektronenfehlstelle im sogenannten Valenzband der Elektronen. Diese Fehlstelle wirkt, ebenso wie ein ungebundenes Elektron selbst, als beweglicher Ladungsträger, allerdings mit positiver Ladung. Man sagt, der Diamant ist p-dotiert. Die p-Dotierbarkeit von Diamant ist seit drei drei Jahrzehnten bekannt, und auch in natürliche Diamanten kommen die durch Bor gebildeten sogenannten Akzeptoren vor. Im Gegensatz zu allen bisher bereits für eletkronische Anwendungen entwickelten Halbleitern existierte bis vor kurzem jedoch kein Element, welches einen Elektronenüberschuß im Diamantgitter bewirkt und damit zu einer sogenannten n-Leitung führt. Viele fünf- und sechswertige Elemente sind auf ihre Eignung als solche Donatoren hin untersucht worden, keines bisher mit gesichertem Erfolg. Erst im Jahre 1999 erschien eine Arbeit aus einer japanischen Forschergruppe, die über eine erfolgreiche n-typ Dotierung mit Hilfe von Schwefelzugabe zur Wachstumsgasphase im Herstellungsprozess berichtete. Diese Ergebnisse sind bis heute umstritten, wegen ihrer großen potentiellen Bedeutung wird aber an vielen Instituten an der n-typ Dotierung mit Schwefel gearbeiten. Sehr wichtig ist dabei, auf jeden Fall einen unbeabsichtigten Einbau von Bor-Verunreinigungen im Prozeß zu vermeiden, da sonst auch eine potentiell erfolgreiche n-typ Dotierung durch Schwefel vom sehr viel leichter einbaubaren Bor-Akzeptor überdeckt werden kann. Am Institut für Technische Physik ist deswegen eigens zum Zwecke einer Schwefel-Dotierung eine komplett neue Anlage ohne jegliche borhaltige Komponenten (Gläser, Keramiken) aufgebaut worden. Darin werden Diamantschichten unter Zugabe von H 2 S zum Dotiergas hergestellt Sie werden anschließend mit den im Haus eigenen Charakterisierungsmethoden und zusammen mit Kollegen aus Ulm, München und Jülich charakterisiert. Ziel dieses aufwendigen Verfahrens ist es, die Möglichkeit einer n-typ Dotierung von Diamant mit Schwefel zu widerlegen oder (hoffentlich) zu bestätigen, und im letzteren Falle einen zuverlässigen Prozeß dafür zu entwickeln. Auch in diesem Projekt ist also neben experimentellem Geschick auch die Kommunikationsfähigkeit mit anderen Wissenschaftlern eine wichtige Voraussetzung.


      Weiterführende Literatur für interessierte:

      I. Sakaguchi, M. Nishitani-Gamo, Y. Kikuchi, E. Yasu, H. Hameda, T. Suzuki, T. Ando, Physical Review B 60 (1999) R2139.
      M. Nishitani-Gamo, C. Xiao, Y. Zhang, E. Yasu, Y. Kikuchi, I. Sakaguchi, T. Suzuki, Y. Sato, T. Ando, Thin Solid Films 382 (2001) 113.
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      Elektronische Oberflächeneigenschaften von Diamant

      Ein besonders interessanter Aspekt von Diamant sind eine Reihe ausgesprochen ungewöhnlicher Oberflächeneigenschaften. Zum einen ist das eine sogenannte negative Elektronenaffinität. Die Elektronenaffinität eines Halbleiters ist die Energiebarriere, die ein Elektron, das (z. B. optisch oder durch ein hohes elektrisches Feld injiziert) ins Leitungsband angeregt worden ist, zusätzlich überwinden muß, um frei ins Vakuum zu gelangen. Bei allen bekannten halbleitern ist diese Elektronenaffinität positiv, d. h. die Barriere gegen Elektronenaustritt existiert. Nicht so bei Diamant. Hier kann diese Barriere durch geeignete Oberflächeabsättigung vollständig beseitigt werden, und Messungen der Elektronenaffität ergeben unter solchen Bedingungen einen negativen Wert von –1.3eV.

      Absorptionsspektrum und Photoelektronen-Quantenausbeute eines Diamantkristalles nach einer Wasserstoffabsättigung seiner Oberfläche. Optische und Elektronen-spektroskopische Methoden stellen ein wichtiges Werkzeug der Festkörperphysik dar, das am Institut für Technische Physik intensiv eingesetzt wird. Nähere Erläuterungen der Abbildung finden sich im Text.





      Damit sind Diamantoberflächen oberhalb der Bandkantenenergie von 5.5 eV sehr effiziente Photokathoden. Die Manipulation der Elektronenaffinität von Diamantoberflächen und damit verbundener Eigenschaften ist seit einigen Jahren Gegenstand intensiver Forschung am Institut für Technische Physik. Das Diagramm auf dieser Seite zeigt einen Vergleich zwischen dem Absorptionsspektrum von Diamant (magenta Kurve, rechte Skala) und der spektralen Quantenausbeute für Photoelektronen (rechte Skala), wie sie nach einer Wasserstoffabsättigung der Oberfläche gemessen wird.

      Neben den experimentellen Daten sind auch die verschiedenen Beiträge zur Photoelektronen-Quantenausbeute gezeigt, die von Elektronen und und Elektron-Loch-Paaren, sogenannten Exzitonen herrühren.Wegen der Bandstruktur des Diamantkristalls können letztere immer nur in Verbindung mit einer Gitterschwingung (eines sogenannten Phonons) angeregt werden. Daraus ergeben sich verschiedene Einsatzschwellen im Absorptionsspektrum, die in dem Diagramm markiert und mit der Symmetrie der jeweils beteiligten Gitterschwingung bezeichnet sind. E x -TA bedeutet z.B. Anregung eines Exzitons unter gleichzeitiger Abregung eines t ransversal- a kustischen Phonons. Oberhalb einer Schwellenenergie von 5.5e eV folg die Photoelektronen-Quantenausbeute perfekt dem Absorptionsspektrum. Ein solches Verhalten wird nur bei Diamant beobachtet und ist charakteristisch für die oben beschriebenen negative Elektronenaffinität.


      Weiterführende Literatur für interessierte:

      J. Ristein: "Electronic properties of diamond surfaces- blessing or curse for devices?", Diamond and Related Materials 9 (2000) 1129.
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      Die Oberflächenleitfähigkeit von Diamant

      Eine zweite sehr ungewöhnliche Eigenschaft von Diamantoberflächen, welche ebenfalls nach Wasserstoffabsättigung beobachtet werden kann, ist eine relativ hohe zweidimensionale Leitfähigkeit an der Oberfläche, die sogar in Form von Feldeffekt-Transistoren ausgenutzt werden kann. Das unten stehende Bild zeigt schematisch Aufbau und Funktionsweise einer solchen Struktur, wie sie erstmalig von einer japanischen Gruppe mitte der neunziger Jahre realisiert worden ist (H. Kawarada, Surface Science Report 26 (1996) 205). Die Besonerheit bei dem abgebildeten Bauelement ist sein einfacher Aufbau. Weder muß der Diamant, wie im Falle anderer Halbleiter, dotiert werden, noch wird eine aufwendige Isolation zwischen der leitfähigen Löcherschicht und der Steuerelektrode benötigt.




      Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines Feldeffekt-Transistors, der auf der Oberfläche einer undotierten Diamantschicht aufgebaut werden kann. Näheres im Text.




      Die Kenndaten eines wie oben abgebildeten Transistors werden im wesentlichen durch die auf die Breite des aktiven Kanales unter der Gate-Elektrode bezogene Stromsteuerbarkeit wiedergegeben. Für diese sogenannte Transduktanz konnten sehr hohe Werte von bis zu 25mA/V/mm erzielt werden. Obwohl damit vielversprechene Aussichten für eine Realisierung Transistoren auf der Basis der Diamant-Oberflächenleitfähigkeit bestehen, konnten langzeitstabile Bauelemente bisher nicht hergestellt werden. Ein Grund für diese Probleme ist , daß der Ursprung der Löcheranreicherungsschicht an der Oberfläche zur Zeit noch völlig unbekannt ist. Zur Zeit werden dazu verschiedene Modelle intensiv und kontroverst diskutiert. Erst wenn der Mechanismus, der dem beobachteten Effekt zugrunde liegt, aufgeklärt ist, kann man hoffen, die bisher auftretenden Instabilitäten gezielt zu beseitigen.

      Die Oberlächenleitfähigkeit von Diamant ist ein gutes Beispiel dafür, wie unmitelbar manchmal Ergebnisse der Grundlagenforschung in die Entwicklung von einfließen können

      Weiterführende Literatur für interessierte:

      F. Maier, M. Riedel, B. Mantel, J. Ristein, and L. Ley: "Origin of Surface Conductivity in Diamond", Physical Review Letters 85 (2000) 3472.
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      schrieb am 22.11.02 12:45:27
      Beitrag Nr. 2 ()
      Ich baue schon Vermöge auf!
      Avatar
      schrieb am 22.11.02 12:52:45
      Beitrag Nr. 3 ()
      ... und ich habe heutä schone Dude gekauft - Rechtschreibedude!


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