Kristallwachstum mit atomarer Präzision

Die Anforderungen an elektronische Bauteile sind enorm: Klein und dabei so leistungsstark wie nur möglich sollen sie sein. Dafür müssen in der Herstellung hauchdünne Materialschichten atomlagengenau gewachsen und geschichtet werden. Ein Verfahren, mit dem dies realisiert werden kann, ist die Molekularstrahlepitaxie (engl. molecular beam epitaxy, MBE).

Um neueste Erkenntnisse und Entwicklungen rund um die MBE geht es beim German MBE-Workshop 2018, zu dem das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Vertreter aus Wissenschaft, Forschung und Industrie einlädt. Die zweitätige Fachtagung findet am 11. und 12. Oktober am Fraunhofer IAF in Freiburg statt.

So sieht Wissenschaft aus: In einer riesigen Maschine mit runden Vakuum-Behältern und unzähligen Kabeln entsteht die Basis für die Elektronik von heute. Diese hochmodernen MBE-Anlagen am Fraunhofer IAF arbeiten unter extremen Bedingungen: Im Ultrahochvakuum und mit Temperaturen von bis zu 1000 °C erzeugen sie hochreine Elementschichten, die beispielsweise für Mikrochips und immer kleiner werdende Bauteile benötigt werden.

Vom Substrat zum Wafer

Bei der Molekularstrahlepitaxie, kurz MBE, werden extrem dünne, einkristalline Strukturen aus Halbleitern hergestellt. In MBE-Anlagen werden im Ultrahochvakuum kristalline Festkörperschichten aus gerichteten Molekularstrahlen abgeschieden und atomlagengenau auf Substrate gewachsen.

Das Ergebnis sind Wafer, die sogenannte Heterostrukturen aus mehreren Tausend Schichten von bis zu zehn verschiedenen Materialmischungen besitzen. Diese Schichten sind kaum dicker als ein Tausendstel Millimeter. Mit Transistoren und Leiterbahnen versehen, entstehen aus diesen Wafern Mikrochips und Bauteile für die Leistungs- und Hochfrequenzelektronik sowie für Halbleiterlaser.

Insbesondere die Arbeit mit Halbleiterheterostrukturen aus dem Bereich der Quantentechnologie, ist für aktuelle Forschungsprojekte hoch interessant. Bei diesen Heterostrukturen kombinieren Forscherteams verschiedene Materialien mit dem Ziel, bestmögliche Quantisierungseffekte in Bezug auf elektronische und optische Eigenschaften zu erreichen. Halbleiterheterostrukturen sind eine Grundvoraussetzung für die Herstellung neuartiger mikroelektronischer Bauelemente.

Der Vorteil der MBE ist die atomare Präzision bei der Herstellung der Materialschichten und damit die gute Kontrollierbarkeit der Wachstumsprozesse. »So können extrem kleine Bauteile hergestellt werden, die extrem schnelle und effiziente Elektronik ermöglichen und damit den wachsenden Anforderungen an elektronische Bauteile gerecht werden.«, erklärt Dr. Rolf Aidam, Leiter des diesjährigen Workshops und Forscher am Fraunhofer IAF.

Einzigartiges Forum im deutschsprachigen Raum

Im Fokus des German MBE-Workshop 2018 steht das komplette Spektrum der Molekularstrahlepitaxie – von Ergebnissen aus der Grundlagenforschung über die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten bis hin zum Einsatz in der Industrie. Neben den Grundlagen der MBE-Technologie thematisiert der Workshop auch Nanostrukturen und Quantenpunkte. Aidam ist zuversichtlich: »Wir bleiben am Puls der Zeit. Gerade solche innovativen Foren wie der MBE-Workshop bieten hervorragende Möglichkeiten, sich mit Kollegen auszutauschen und ganz neue Ideen zu bekommen.«

Der Workshop kann auf eine Erfolgsgeschichte von über 30 Jahren zurückblicken. »Wir setzen die Reihe von Workshops fort, die in den letzten Jahren in Wien (2017), München (2016) und Paderborn (2015) stattgefunden haben und erwarten viele interessierte Besucher«, so Aidam. Insgesamt rechnen die Veranstalter mit über 100 Teilnehmern, die vom jungen Akademiker über den Epitaxie-Forscher bis hin zu Vertretern von Forschungseinrichtungen und Industriepartnern reichen. Das Programm umfasst etwa zwei Duzend wissenschaftliche Vorträge. Parallel zum regulären Tagungsprogramm präsentieren zahlreiche Unternehmen und Anlagenhersteller ihre Technologien rund um das Thema MBE auf einer Industrieausstellung.

Die MBE-Anlagen am Fraunhofer IAF

Das Fraunhofer IAF verfügt über zwei Forschungs-MBE-Anlagen sowie drei Multiwafer-MBE-Anlagen, wie sie auch in der Industrie eingesetzt werden. Eine vierte Multiwafer-Anlage wird gerade im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) in Betrieb genommen und soll noch kleinere mikroelektronische Strukturen ermöglichen.
Mit dieser Ausstattung ist das Fraunhofer IAF in der Lage, auch im Bereich der Epitaxie Themen aus der Grundlagenforschung auf einen industriellen Maßstab zu skalieren. Mit diesen MBE-Anlagen ermöglicht das Institut Pilotserienfertigungen von Bauteilen für Leistungs- und Hochfrequenzelektronik sowie für Halbleiterlaser und schafft damit den Transfer von der Forschung zur Industrie.

Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die führende Organisation für angewandte Forschung in Europa. Unter ihrem Dach arbeiten 69 Institute und Forschungseinrichtungen an Standorten in ganz Deutschland. 24 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter erzielen das jährliche Forschungsvolumen von 2,1 Milliarden Euro. Davon fallen 1,9 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung. Über 70 Prozent dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Internationale Kooperationen mit exzellenten Forschungspartnern und innovativen Unternehmen weltweit sorgen für einen direkten Zugang zu den wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigen Wissenschafts- und Wirtschaftsräumen.

https://www.mbe2018.de/