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Forschung & Entwicklung Biokompatible Halbleiter-Mikro- und -Nanostrukturen

Die Herstelllung einer komplexen porösen Schichtstruktur aus Siliziumkarbid bringt neue Möglichkeiten für biokompatible Sensoren und optische Komponenten, wie farbselektive integrierte Spiegel.

Extrem feine poröse Strukturen mit winzigen Löchern kann man heute aus Halbleitern herstellen. Das bietet neue Möglichkeiten, winzige Sensoren zu bauen oder ungewöhnliche optische und elektronische Bauteile zu konstruieren. An der TU Wien gelang es nun, ein Verfahren für die kontrollierte Herstellung von porösem Siliziumkarbid zu entwickeln. Siliziumkarbid hat entscheidende Vorteile gegenüber Silizium: Es ist chemisch widerstandsfähiger und kann deshalb ohne zusätzliche Beschichtung für z. B. biologische Anwendungen eingesetzt werden. Um die Möglichkeiten der neuen Technik zu demonstrieren, wurde nun ein spezieller Spiegel aus einer Vielzahl hauchdünner Schichten mit einer Dicke von jeweils etwa 70 nm mit unterschiedlicher Porosität hergestellt, der unterschiedliche Lichtfarben selektiv reflektiert.

„Aus einem soliden Stück eines Halbleitermaterials eine poröse Struktur mit unzähligen Nano-Löchern zu machen, liefert uns eine ganze Reihe spannender technischer Möglichkeiten“, sagt Markus Leitgeb vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Die poröse Struktur beeinflusst die Art, wie Lichtwellen vom Material abgelenkt werden. Durch die Porositäts-Kontrolle, könne man daher auch den optischen Brechungsindex des Materials kontrollieren.

Das kann in der Sensorik sehr nützlich sein – so kann man beispielsweise den Brechungsindex von winzigen Flüssigkeitsmengen mit einem porösen Halbleiter-Sensor messen und so unterschiedliche Flüssigkeiten zuverlässig voneinander unterscheiden. Eine andere technisch attraktive Möglichkeit ist, ganz gezielt bestimmte Bereiche des Materials zunächst porös zu machen, mit einer neuen Schicht zu überwachsen, und dann kontrolliert zusammenfallen zu lassen – so kann man Mikro- und Nanostrukturen herstellen, die ebenfalls für die Sensorik eine wichtige Rolle spielen.

Doch entscheidend ist bei all diesen Techniken die passende Wahl des Ausgangsmaterials. Bisher wurde dafür Silizium verwendet. Doch Silizium hat entscheidende Nachteile: Unter harten Umgebungsbedingungen, etwa bei großer Hitze oder in basischen Lösungen, werden Strukturen aus Silizium angegriffen und schnell zerstört. Für biologische oder elektrochemische Anwendungen sind Sensoren aus Silizium deshalb oftmals nicht brauchbar. Daher versuchte man an der TU Wien, Ähnliches mit dem chemisch deutlich robusteren und biokompatiblen Halbleiter Siliziumkarbid zu erreichen.

Um poröse Strukturen aus Siliziumkarbid herstellen zu können, wurde zunächst wird die Oberfläche gesäubert, dann wird sie teilweise mit einer dünnen Platin-Schicht überzogen. Durch Eintauchen in eine Ätzlösung und Belichten mit UV-Licht werden im Siliziumkarbid Oxidationsprozesse in Gang gesetzt. Auf den nicht mit Platin bedeckten Bereichen entsteht so eine erste 1 Mikrometer dünne poröse Schicht. Danach legt man zusätzlich eine elektrische Spannung an, um die Porosität sowie die Schichtdicke der Folgeschichten exakt einstellen zu können. Die erste poröse Schicht unterstützt dabei die Bildung erster Poren beim Anlegen der elektrischen Spannung

Die poröse Struktur breitet sich von der Oberfläche her immer weiter ins Innere des Materials aus. Durch Anpassen der elektrischen Spannung wird während dieses Prozesses kontrolliert, welche Porosität in welcher Tiefe erzielt werden soll. So wurde es möglich, eine komplizierte Schichtstruktur aus poröseren und weniger porösen Siliziumkarbid-Schichten herzustellen, die man schlussendlich durch drastisches Erhöhen der Spannung vom Substratmaterial ablösen kann. Die Dicke dieser Schichten kann man so wählen, dass die Schichtstruktur bestimmte Lichtwellenlängen besonders gut reflektiert oder besonders gut passieren lässt – ein integrierter, farb-selektiver Spiegel entsteht.

Diese Technologie verspricht viele Anwendungsmöglichkeiten – von Anti-Reflex-Beschichtungen über optische oder elektronische Bauteile und spezielle Biosensoren bis hin zu widerstandsfähigen Superkondensatoren.

Originalveröffentlichung:

[M. Leitgeb, C. Zellner, M. Schneider, U. Schmid, Porous single crystalline 4H silicon carbide rugate mirrors, APL Materials 5 (2017), DOI: 10.1063/1.5001876]

von mn

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