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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

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Halbleiterinseln: Vom künstlichen Atom zum Molekül

Unter Nutzung von Selbstorganisationsprozessen konnten erstmals Halbleiterstrukturen mit zwei gestapelten, nanometergroßen Inseln hergestellt und in ihren elektrischen Transporteigenschaften charakterisiert werden. Diese Strukturen sind so winzig, dass sie (Quanten-)Eigenschaften wie Atome aufweisen, und stellen einen Schritt in Richtung auf ein neues Quantennormal für die Einheit Ampere dar.

Schematische Schnittzeichnung von zwei gestapelten Halbleiter-Quantenpunkten (links) und Transmissions-Elektronenmikroskop-Aufnahme einer resonanten Tunneldiode (rechts)

Der Fortschritt in der modernen Elektronik, der mit ständig kleiner werdenden Schaltungen einhergeht, muss in absehbarer Zeit eine Grenze überwinden: Sobald die Strukturen nur noch wenige Nanometer klein sind, gelten nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern die der Quantenmechanik. Derart winzige Schaltungselemente sind auch für die Präzisionsmesstechnik von großer Bedeutung: In ihnen können einzelne Elektronen besser manipuliert werden als bisher – eine Voraussetzung für einen neuen Standard der Stromstärkeeinheit Ampere, der auf dem Abzählen von Elektronen beruht.

Beim Wachstum von Halbleiterkristallen nutzt man einen Selbstorganisationseffekt, der winzige, wenige Nanometer große „Inseln“ hervorbringt. Bei geschickter Nutzung des Effekts lassen sich die Inseln sogar stapeln, und sie zeigen dann im Experiment interessante neue Eigenschaften. Die selbstorganisierten Halbleiter-Inseln werden dazu in die Barriere einer resonanten Tunneldiode eingebettet. Mit dieser Technik ist es nun erstmals gelungen, resonante Tunneldioden mit zwei gestapelten Nano-inseln aus Indiumarsenid herzustellen und ihre Eigenschaften beim elektrischen Transport zu beobachten.

In den Strukturen stellen die beiden Inseln gewissermaßen Emitter und Kollektor eines Transis-tors dar. Sequentielle quantenmechanische Tunnelprozesse bestimmen, wie ein Stromfluss von der angelegten Spannung abhängt. Da die Quanteninseln – ähnlich wie Atome – für 0-dimensionale Sys-teme typische diskrete Energiezustände besitzen, werden keine Stufen, sondern scharfe Stromspitzen beobachtet. Sie zeigen nahezu keine Verbreiterung bei Temperaturerhöhung, da sie nicht mehr von der Verteilung der energiereichsten Elektronen in den hochdotierten dreidimensionalen Bereichen abhängen. Ein neuer Freiheitsgrad ergibt sich, wenn man die beiden Nanoinseln koppelt: Macht man die trennende Zwischenschicht dünner, nimmt die Kopplung zu und im Extremfall überlagern sich die Elektronenwellenfunktionen der beiden Inseln. Es entsteht quasi ein Nanoinsel-Molekül. Dies konnte in Zusammenarbeit mit der Abteilung Nanostrukturen der Universität Hannover über den Einfluss einer geänderten Spinaufspaltung der Elektronen in einem Magnetfeld nachgewiesen werden.

Mit den Untersuchungen eröffnet sich auch eine Perspektive für Strukturen mit mehr als zwei vertikal gekoppelten Quantenpunkten. Ein praktischer Vorteil, nämlich die Verringerung eines unerwünschten Untergrundstroms durch die nun insgesamt dickere Barriere, hat sich bereits jetzt ergeben.

Ansprechpartner:

Arbeitsgruppe 2.53
Telefon: 0531-592-2412

© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-11-17, Volker Großmann Seite drucken DruckansichtPDF-Export PDF