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Thomas Berer - Quanteneffekte in Nanostrukturen

Fabrication of Quantum Point Contacts in the AlGaAs-System

Thomas Berer
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik

Kurzfassung PDF

Vortrag PDF

Die Miniaturisierung bei Halbleiterbauelementen kann mittels des Moore'schen Gesetzes beschrieben werden: alle drei Jahre wird die Speicherkapazität vervierfacht. Diese Entwicklung, welche zu immer kleineren Bauelementen führt, wird wahrscheinlich noch einige Jahre andauern. Schließlich wird man aber an physikalische Grenzen stoßen, spätestens wenn eine Speicherzelle kleiner als ein einzelnes Atom werden müßte. Allerdings werden andere Grenzen bereits viel früher erreicht.

Wenn durch die fortschreitende Miniaturisierung in einem Bauelement nur mehr wenige Elektronen vorhanden sind, besteht die Gefahr, daß die eingestellten Zustände des Systems nicht mehr stabil sind. Eine weitere Begrenzung ergibt sich durch die Welleneigenschaften der Elektronen. Wenn die Größe der Bauelemente in etwa die Wellenlänge der Elektronen erreicht, treten Interferenz- und Quanteneffekte auf, welche die Funktionsweise der Bauelemente stark beeinflussen. So ändert sich zum Beispiel der Widerstand einer dünnen "drahtähnlichen" Struktur in Abhängigkeit von dessen Breite stufenweise. Dies ist eine Konsequenz der Wellennatur der Elektronen.

Im Rahmen meiner Diplomarbeit wurden verschiedene Strukturen, deren Abmessungen mit der Elektronenwellenlänge vergleichbar sind, sogenannte "Nanostrukturen", hergestellt.

Der Ausgangspunkt der Herstellung waren hochbewegliche modulationsdotierte AlGaAs-Heterostrukturen. Um elektrische essungen an den Nanostrukturen durchführen zu können, mußten zuerst elektrische Verbindungen, die Ohm'schen Kontakte, vorbereitet werden. Es wurde eine Hallbar-Geometrie verwendet, mittels der die Bestimmung der Elektronendichte und der Beweglichkeit am selben Stück der Heterostruktur möglich ist. Die Ohm'schen Kontakte wurden mittels getemperten Metallkontakten, die Hallbar-Geometrie mittels reaktivem Ionenätzen oder mittels eines naßchemischen Prozeßes geformt. Auf dem Hallbar wurden dann die verschiedenen Nanostrukturen herausgearbeitet.

Die erste Art der Nanostrukturen wurde durch tief geätze Furchen in der Heterostruktur, welche das zweidimensionale Elektronengas in separate Regionen trennen, hergestellt. Die Furchen wurden auf dem Hallbar mittels Elektronenstrahl-Lithographie in einem PMMA/MA Photolack gefertigt. Das Ätzen erfolgte in einem reaktiven Ionenätzer. Es wurden Drahtstrukturen mit Breiten zwischen 100 und 1200nm, sowie auch Ringstrukturen und Quantenpunktkontakte hergestellt. ittels eines Topgates, welches die ganze Fläche des 2D-Elektronengases und der geäzten Strukturen bedeckt, kann die Elektronendichte variiert werden.

Abb.1: Hallbar mit geätzen Nanostukturen: a) ohne Topgate und b) nach Aufdampfen eines Topgates

Abb.2: Verschiedene geätze Nanostrukturen: a) ein 400nm dickens Quantenwire, b) ein 100nm dickes Quantenwire, c) Aharonov-Bohm-Ring mit einem Durchmesser von 1µm und d) Aharonov-Bohm-Ring mit Durchmesser 500nm

Eine weitere Art sind Splitgate-Strukturen, wo ein Schottkygate den Hallbar über die gesamte Breite kreuzt, jedoch ein einige 100nm breiter Spalt in der Mitte offen gelassen wird. Diese Strukturen wurden mittels Elektronenstrahllithographie in einem Doppellagenphotolack gefertigt. Das Aluminiumgate wurde in der Abhebetechnik (Liftoff) produziert. Durch Anlegen einer negativen Spannung auf beiden Seiten des Splitgates kann Elektronendichte unterhalb der beiden Gates reduziert werden, bis das Elektronengas komplett verarmt ist und die beiden Regionen getrennt sind. Nur durch einen schmalen Grad unterhalb des Spalts in den Splitgates sind die beiden Regionen mittels eines 1D-Kanals elektrisch verbunden.

Abb.3: Hallbar mit Splitgate-Strukturen: a) Hallbar mit verschiedenen Quantenpunktkontakten, b)-d) der mittlere Punktkontakt in verschiedenen Vergrößerungen. Der Spitzenabstand beträgt 320nm.

Elektrische Messungen bei tiefen Temperaturen an den fertigen Strukturen ergaben, daß sich der Widerstand in Abhängigkeit der Strukturbreite - wie in der Theorie vorhergesagt - stufenweise ändert.