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05. November 2004

Verspannung erwünscht

Kristallzüchter bauen gezielt Spannungen in hauchdünne Schichten ein. Der Weg zu bleifreien Elektronikbauteilen?

Pressemitteilung vom Forschungsverbund Berlin, 05.11.2004

 

Eine amerikanisch-deutsche Forschergruppe hat für eine neue Art

von Speicherbausteinen eine Materialkombination erzeugt, die ohne

das giftige Blei auskommt. Mit im Team waren zwei Wissenschaftler

des Berliner Instituts für Kristallzüchtung (IKZ). Die Gruppe berichtet

über ihre Arbeit in der heutigen Ausgabe von Science (5. November

2004).

 

Im Kern geht es darum, Kristallschichten gezielt zu „verspannen“, um

damit ein höheres Maß an Ferroelektrizität zu erzeugen.

Ferroelektrische Materialien besitzen ein permanentes elektrisches

Dipolmoment, dessen Richtung durch ein elektrisches Feld geändert

werden kann. Der Vorgang ist umkehrbar. Damit sind ferroelektrische

Materialien Wunschkandidaten für Speicherelemente (RAM). Noch

gibt es kaum ferromagnetische Speicher (FeRAM), doch das könnte

sich bald ändern. 

 

Bisher konnte die Ferroelektrizität am besten mit „PZT“ und davon

abgeleiteten Mischkristallen ausgenutzt werden. Hinter dieser

Abkürzung verbergen sich die Elemente Blei (Pb), Zirkon (Zr) und

Titan (Ti). Aber Blei ist wegen seiner Giftigkeit ungeliebt und darf in

der EU in Kürze nicht mehr in elektronischen Bauelementen und

Geräten verwendet werden. Ein anderes ferroelektrisches Material ist

Bariumtitanat (BaTiO3). Jedoch zeigen herkömmliche – also

unverspannte – Kristalle aus diesem Material eine viel geringere

Ferroelektrizität als PZT. Zudem verlieren sie ihre Polarisation schon

bei relativ niedrigen Temperaturen.

 

Verspannt man aber solche Kristalle, so erhöht sich ihre Polarisation

um mindestens 250 Prozent und bleibt bis fast fünfhundert Grad

Celsius erhalten. Wie baut man solche Spannungen ein? „Man lässt

eine dünne kristalline BaTiO3-Schicht auf einer Unterlage wachsen,

deren Gitterkonstante ein wenig von der des Bariumtitanats

abweicht“, erläutert Dr. Reinhard Uecker, einer der Koautoren aus

dem IKZ. Die Gitterkonstante ist ein Maß dafür, welchen Abstand die

Atome in einem Kristall voneinander haben. „Die dicke Unterlage

versucht, der dünnen ferroelektrischen Schicht ihre Gitterkonstante

aufzuzwingen“, sagt Uecker. Er und sein Kollege Dr. Peter Reiche

haben das erforderliche Substrat realisiert. Es handelt sich um

Gadoliniumscandat-Kristalle (GdScO3).

 

Die Substratkristalle wurden im IKZ gezüchtet und von der Berliner

Firma CrysTec zu polierten Scheiben verarbeitet. Auf diesen Wafern

wuchsen dann in den USA BaTiO3-Schichten: Sie wurden mittels

Molekularstrahlepitaxie abgeschieden. Nachfolgende Messungen

zeigten, dass die erwartete Verbesserung der ferroelektrischen

Eigenschaften tatsächlich eintrat. Damit wird diese

Materialkombination mit definiert verspannten BaTiO3-Schichten zu

einem echten Kandidaten für bleifreie Speicherbauelemente, die

auch noch bei relativ hohen Temperaturen arbeiten.

 

In naher Zukunft wird auch im IKZ mit der Abscheidung von dünnen

Schichten ferroelektrischer bleifreier Materialien begonnen, allerdings

mit Hilfe der MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition).

Damit besteht im IKZ die einzigartige Möglichkeit, optimale

Kombinationen von geeigneten Oxidsubstraten und verspannten

ferroelektrischen Schichten zu erzeugen und zur Entwicklung einer

neuen Generation von bleifreien umweltfreundlichen Bauelementen

beizutragen.

 

Ansprechpartner:

Dr. Reinhard Uecker, 030 / 6392-3021

Prof. Dr. Klaus Jacobs, 030 / 6392-3047

 

Hintergrund

Das Institut für Kristallzüchtung (IKZ) züchtet, bearbeitet und

charakterisiert Kristalle unter Einsatz zahlreicher unterschiedlicher

Methoden. Zugleich entwickelt es Baugruppen für

Kristallzüchtungsanlagen und befasst sich mit der numerischen

Modellierung der Kristallzüchtung. Das Institut versteht sich als

Kompetenzzentrum zu allen wesentlichen naturwissenschaftlichen

und technischen Fragen, die die Züchtung und das Wachstum von

Volumenkristallen betreffen. Das Institut nimmt eine Servicefunktion

wahr, indem es Kristalle, Anlagen und Verfahren für

Kooperationspartner und Auftraggeber entwickelt oder bereit stellt.

Es ist Teil des Forschungsverbundes Berlin e.V. (FVB).

www.ikz-berlin.de

 

Im Forschungsverbund Berlin (FVB) sind acht natur-, umwelt- und

lebenswissenschaftlich orientierte Institute zusammengeschlossen,

die wissenschaftlich eigenständig sind, aber im Rahmen einer

einheitlichen Rechtspersönlichkeit gemeinsame Interessen

wahrnehmen. Alle Institute des FVB gehören zur Leibniz-

Gemeinschaft.

www.fv-berlin.de

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