Forscher erreichen beispiellose Nanostrukturierung im Inneren von Silizium

Silizium, der Grundstein moderner Elektronik, Photovoltaik und Photonik, war aufgrund der Herausforderungen, die bestehende lithographische Techniken mit sich brachten, bisher auf die Nanofabrikation auf Oberflächenebene beschränkt. Verfügbare Methoden können entweder nicht in die Waferoberfläche eindringen, ohne Veränderungen zu verursachen, oder sind durch die Auflösung der Laserlithographie innerhalb von Si im Mikronbereich begrenzt.

Ganz im Sinne von Richard Feynmans berühmtem Ausspruch „Da unten ist noch jede Menge Platz“ steht dieser Durchbruch im Einklang mit der Vision, Materie im Nanomaßstab zu erforschen und zu manipulieren. Die innovative Technik, die von einem Team der Bilkent-Universität entwickelt wurde, überwindet aktuelle Grenzen und ermöglicht die kontrollierte Herstellung von Nanostrukturen, die tief in Siliziumscheiben vergraben sind, mit beispielloser Kontrolle.

Die Arbeit erscheint In Naturkommunikation.

Das Team bewältigte die doppelte Herausforderung komplexer optischer Effekte innerhalb des Wafers und der inhärenten Beugungsgrenze des Laserlichts. Sie überwanden diese durch den Einsatz eines speziellen Laserpulstyps, der durch einen Ansatz namens räumliche Lichtmodulation erzeugt wird. Die nichtbeugende Natur des Strahls überwindet optische Streueffekte, die bisher eine präzise Energieabgabe behindert haben, und verursacht extrem kleine, lokalisierte Hohlräume innerhalb des Wafers.

Auf diesen Prozess folgt ein Impfeffekt, bei dem vorgeformte Nanohohlräume unter der Oberfläche eine starke Feldverstärkung in ihrer unmittelbaren Umgebung bewirken. Dieses neue Fertigungsverfahren stellt eine um eine Größenordnung höhere Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar und erreicht Strukturgrößen von bis zu 100 nm.

„Unser Ansatz basiert darauf, die Energie des Laserpulses innerhalb eines Halbleitermaterials auf ein extrem kleines Volumen zu lokalisieren, so dass man Effekte der Feldverstärkung analog zu denen in der Plasmonik nutzen kann. Dies führt zu einer sub-Wellenlängen- und mehrdimensionalen Kontrolle direkt im Material“, erklärt Prof. Tokel. „Wir können nun nanophotonische Elemente herstellen, die in Silizium eingebettet sind, wie etwa Nanogitter mit hoher Beugungseffizienz und sogar spektraler Kontrolle.“

Die Forscher verwendeten räumlich modulierte Laserpulse, die technisch einer Bessel-Funktion entsprechen. Die nichtbeugende Natur dieses speziellen Laserstrahls, der mit fortschrittlichen holographischen Projektionstechniken erzeugt wird, ermöglicht eine präzise Energielokalisierung. Dies wiederum führt zu hohen Temperatur- und Druckwerten, die ausreichen, um das Material in einem kleinen Volumen zu verändern.

Bemerkenswerterweise hält sich die resultierende Feldverstärkung, sobald sie einmal etabliert ist, durch einen Mechanismus vom Typ „Keimbildung“. Einfach ausgedrückt hilft die Schaffung früherer Nanostrukturen bei der Herstellung späterer Nanostrukturen. Der Einsatz von Laserpolarisation bietet zusätzliche Kontrolle über die Ausrichtung und Symmetrie von Nanostrukturen und ermöglicht die Schaffung vielfältiger Nano-Arrays mit hoher Präzision.

„Durch Nutzung des anisotropen Rückkopplungsmechanismus im Laser-Material-Wechselwirkungssystem haben wir polarisationsgesteuerte Nanolithografie in Silizium erreicht“, sagte Dr. Asgari Sabet, Erstautor der Studie. „Diese Fähigkeit ermöglicht es uns, die Ausrichtung und Symmetrie der Nanostrukturen im Nanomaßstab zu steuern.“

Das Forschungsteam demonstrierte großflächige volumetrische Nanostrukturierungen mit Eigenschaften jenseits der Beugungsgrenze und ermöglichte damit den Proof of Concept für vergrabene nanophotonische Elemente. Diese Fortschritte haben erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Nanosystemen mit einzigartigen Architekturen.

„Wir glauben, dass die neue Designfreiheit bei dem wohl wichtigsten technologischen Material spannende Anwendungen in der Elektronik und Photonik finden wird“, sagte Tokel. „Die über die Beugungsgrenze hinausgehenden Eigenschaften und die mehrdimensionale Steuerung deuten auf zukünftige Fortschritte hin, wie etwa Metaoberflächen, Metamaterialien, photonische Kristalle, zahlreiche Anwendungen zur Informationsverarbeitung und sogar dreidimensionale integrierte elektronisch-photonische Systeme.“

„Unsere Erkenntnisse führen ein neues Fertigungsparadigma für Silizium ein“, schloss Prof. Tokel. „Die Fähigkeit, im Nanomaßstab direkt im Silizium zu fertigen, eröffnet neue Wege hin zu weiterer Integration und fortschrittlicher Photonik. Wir können jetzt damit beginnen, uns zu fragen, ob eine vollständige dreidimensionale Nanofertigung in Silizium möglich ist. Unsere Studie ist der erste Schritt in diese Richtung.“

Neben Sabet und Tokel besteht das Forschungsteam aus Aqiq Ishraq, Alperen Saltik und Mehmet Bütün, die alle der Fakultät für Physik und dem Nationalen Forschungszentrum für Nanotechnologie der Bilkent-Universität angehören. Ihr Fachwissen erstreckt sich auf verschiedene Bereiche, darunter Optik, Materialwissenschaften und Nanotechnologie.