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Erweiterung der Quanten-Ohm-Skala durch vertikale Integration – Der Quanten-Hall-Effekt im Doppelpack

05.12.2007

Durch die gelungene vertikale Integration von zwei übereinander liegenden leitfähigen Schichten in einer neuartigen Halbleiter-Struktur wird die Basis für Quantenschaltungen mit dekadischen Widerstandswerten erweitert.

Hochpräzise quantisierte Widerstandswerte können mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts (QHE) in leitfähigen zweidimensionalen Schichten (2DEG) in Halbleiter-Strukturen realisiert werden. In der PTB hergestellte neuartige Halbleiter-Strukturen enthalten zwei übereinander liegende leitfähige Schichten, die, und das ist das Entscheidende, die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Solche optimierten Doppel-2DEG-Strukturen bilden die Bausteine für integrierte Parallelschaltungen von QHE-Elementen auf einem Chip zur Realisierung von dekadischen Widerstandswerten und zur Erweiterung der Quanten-Ohm-Skala. Die vertikale Integration vereinfacht die laterale Verschaltung. Es wird erwartet, dass sich dadurch die Fertigungsausbeute erhöht. 

Präzisionsmessungen des QHE an den neuartigen Halbleiter-Strukturen haben gezeigt, dass sich durch die Parallelschaltung der beiden Schichten mit gleicher Ladungsträgerdichte ein Widerstandswert ergibt, der relativ um weniger als 10-9 vom theoretischen Wert, einem Viertel der von-Klitzing-Konstante (RK/4 ~ 6453 Ω), abweicht. Dies entspricht einer Genauigkeit, wie sie sonst nur bei Einzelelementen gemessen werden kann. 

 

Die Resultate wurden im Juni 2008 auf der internationalen Konferenz für elektro-magnetische Präzisionsmessungen (CPEM) in Broomfield/USA präsentiert. Weitere Details können auch der Publikation in Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 92 133509 (2008), entnommen werden. 

Bild 1
Neuartige asymmetrische Doppel-2DEG-Struktur. 
Oben: schematischer Leitungsband-Verlauf Ec mit den beiden leitfähigen Ebenen HJ- und QW-2DEG.
Unten: Elektronen-Konzentrations-Profil.

Bild 2
Der Hall-Widerstand RH als Funktion des Magnetfeldes B einer Doppel-2DEG Probe ist im Arbeitspunkt (= 2 Plateau) genau RK/4 ~ 6453 Ω. Die Längsleitfähigkeit Ρxx ist Null.