Stichting FOM
3 november 2011, 2011/52
Artificiële diamantstructuur in kristallijn silicium blijkt halfgeleider voor
licht
Optische computer komt een stap dichterbij
Onderzoekers van de Stichting FOM, het MESA^+ Instituut aan de
Universiteit Twente, Philips en ASML ontwierpen een geheel nieuwe
methode voor het fabriceren van 3D structuren in silicium, die
functioneren als halfgeleider voor licht. Zij publiceren hun resultaten
zeer binnenkort in twee toonaangevende tijdschriften. Het gebruik van
standaardapparatuur maakt de integratie van elektronica met deze
driedimensionale structuren in siliciumchips mogelijk. Dat is van groot
belang wanneer voor toepassing in een toekomstige optische computer.
Eén manier om computers nog veel sneller te maken is door het maken van
driedimensionale computerchips. De huidige gebruikte technologie voor
het maken van computerchips is niet erg geschikt voor het maken van
driedimensionale ruimtelijke structuren. De structuren op een chip
worden laag voor laag opgebouwd, waardoor het maken van een
uitgebreide structuur een tijdrovende en dure klus is. In twee
artikelen in de tijdschriften 'Advanced Functional Materials' en
'Journal of Vacuum Science and Technoloy' beschrijven oud-FOM
onderzoekers Johanna van den Broek, Willem Tjerkstra, Léon Woldering en
Willem Vos met hun collega's hoe zij in kristallijn silicium een
driedimensionale structuur maken die bestaat uit een rechthoekig
regelmatig patroon van poriën die elkaar loodrecht kruisen. De poriën
vormen een diamantstructuur die zich blijkt te gedragen als een
halfgeleider voor licht: een fotonisch kristal (zie figuur 1).
Optische computer
Er is een intrigerende analogie tussen kristallijn silicium en diamant
en de nieuwe artificiële diamantstructuur: kristallijn silicium en
diamant hebben een verboden energieband waardoor elektronen met deze
energieën niet door het kristal kunnen reizen (de band gap). Deze
verboden energieband vormt de basis van de werking van halfgeleiders,
waarmee stroom wordt geschakeld in chips. Analoog blijkt de nieuwe
artificiële diamantstructuur zich als een kristal voor licht te
gedragen, een 'fotonisch kristal', en een verboden energieband voor
licht te hebben. Fotonische kristallen reflecteren daarom in theorie
bijna 100% van licht met golflengten in de verboden band.
De beschikbaarheid van driedimensionale fotonische kristallen met een
bandkloof maakt het mogelijk om fotonen op een ultieme manier te sturen
en zelfs op te sluiten. De hoge reflectie van de structuren kan worden
gebruikt om een 'kooi voor licht' in een fotonisch kristal te maken. In
zo'n kooi blijft het licht tussen de wanden van het kamertje heen en
weer 'stuiteren' totdat het weer uit de kooi kan ontsnappen, liefst na
een 'druk op de knop'. Op deze manier is het mogelijk optische, in
plaats van elektronische, bits te beheersen, waardoor de optische
computer een stap dichterbij is. Een optische computer kan veel meer
data tegelijk bewerken dan een conventionele computer. Omdat ook
optische computers elektronische componenten bevatten is het belangrijk
dat de nieuwe fabricagemethode geheel compatibel is met de methodes in
de chipindustrie, zodat elektronische- en fotonische componenten
eenvoudig samen op één chip gefabriceerd kunnen worden.
Dit onderzoek is ondersteund door NanoNed/STW, Stichting FOM en NWO.
Bijlage: Meer details over het proces
De onderzoekers maakten de driedimensionale nanostructuren door middel
van een innovatief proces in twee stappen. Eerst maakten zij gebruik
van ASML's geavanceerde diep-UV lithografie: een gigantische camera
projecteerde met behulp van UV-licht de rechthoekige poriestructuur op
een laagje fotoresist. Hierdoor ontstond een masker met miljoenen
minuscule gaatjes. Vervolgens etsten zij met een plasma -etsproces uit
de chipsindustrie zeer diepe nanoporiën in een silicium plak, ook wel
silicium wafer genoemd. Het resultaat daarvan is te zien in figuur 2.
De tweede stap is cruciaal: op de dunne zijkant van de wafer brachten
zij met extreem grote nauwkeurigheid een tweede masker aan en
vervolgens maakten ze met een zeer ongebruikelijke methode hetzelfde
gaatjespatroon als in de eerste stap in het masker. De uitdaging zat in
de eis dat het patroon op het masker maximaal 30 miljoenste millimeter
(30 nanometer) en 0.5º afwijken ten opzichte van de optimale positie en
hoek. Dit omdat zo na het etsen de gewenste diamantachtige structuur
ontstaat. Het patroon brachten zij aan met standaardapparatuur uit de
chipsindustrie. De tweede set poriën is op dezelfde manier geëtst als
de eerste set. Het gebruik van standaard apparatuur maakt de integratie
van elektronica met de driedimensionale structuren gemaakt met deze
nieuwe methode in siliciumchips mogelijk.
De poriën in de nieuwe driedimensionale structuur vormen een
diamantstructuur, dezelfde als de koolstofatomen in de bekende
edelsteen diamant of als de siliciumatomen in kristallijn silicium (zie
figuur 3). De nieuwe structuur is ongeveer tweeduizend keer uitvergroot
ten opzichte van een diamantkristal. Om zeker te zijn van hun succes
hebben de onderzoekers een aantal van hun structuren opgeofferd door
deze voorzichtig te openen, zodat de diamantstructuur nauwkeurig kon
worden geanalyseerd op poriediepte, -diameter, -vorm en uitlijning. Dit
bevestigde dat de structuur inderdaad in de wafer is gevormd zoals
weergegeven door de stippellijnen in figuur 1.
Optische reflectiemetingen als in figuur 4 bevestigen dat de nieuwe
diamantstructuren zich als zeer goede fotonische kristallen gedragen.
De ruwheid aan het oppervlak en de dikte van het kristal beperken nu de
maximale reflectiviteit. De brede verboden banden bevinden zich bij
infrarode golflengtes die worden gebruikt in de telecommunicatie
industrie (1330 en 1550 nm).
Referenties
J.M. van den Broek, L.A. Woldering, R.W. Tjerkstra, F.B. Segerink,
I.D. Setija, and W.L. Vos, Inverse woodpile photonic band gap crystals
with a cubic diamond-like structure made from single crystalline
silicon, Advanced Functional Materials
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201101101/abstract
R.W. Tjerkstra, L.A. Woldering, J.M. van den Broek, F. Roozeboom,
I.D. Setija, and W.L. Vos, A method to pattern etch masks in two
inclined planes for three-dimensional nano- and microfabrication,
Journal of Vacuum Science and Technology B (binnenkort online)
Contact
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
dr. Willem Tjerkstra, (053) 489 53 90 of prof.dr. Willem Vos