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Zweidimensionale Halbleiter-Doppelschichten für kompakte Quanten-Hall-Widerstandsnormale

07.12.2006

Mit dem Ziel die Integrationsdichte von parallelgeschalteten Quanten-Hall-Widerstandsnormalen zu erhöhen, wurden erste Tests an speziellen Halbleiterproben vorgenommen, die zwei übereinander liegende elektrische Transportkanäle enthalten.
Die Einheit des elektrischen Widerstandes, Ohm (Ω), wird mit Hilfe eines makroskopischen Quanteneffektes, des Quanten-Hall-Effekts, reproduziert. An einer einzelnen Halbleiterprobe gemessen, kann damit ein fester, durch die von-Klitzing-Konstante (≈ 25,8 kΩ) vorgegebener Widerstandswert mit höchster Präzision realisiert werden. Fast beliebige Widerstandswerte, in der Praxis zwischen 100 Ω und 1 MΩ, lassen sich mit integrierten Reihen- und Parallelschaltungen solcher Quanten-Hall-Proben erzeugen. Dabei stößt man aber an technologische Grenzen, weil einerseits die gesamte Fläche des Halbleiterchips nicht beliebig groß und andererseits die einzelnen Quanten-Hall-Elemente nicht beliebig klein gewählt werden können.
Deshalb ist das Ziel der Arbeiten der PTB, durch zusätzliche vertikale Integration kompaktere Parallelschaltungen von Quanten-Hall-Proben zu realisieren. Dazu werden die Halbleiterschichten schon während ihres Wachstums so hergestellt, dass nicht wie sonst üblich eine leitende Schicht, sondern zwei entstehen. Nach der lithografischen Prozessierung ergeben sich so zwei übereinander liegende Ebenen von Quanten-Hall-Proben. Solche speziellen Halbleiterschichten aus Galliumarsenid sind mit der Molekularstrahl-Epitaxie im Reinraum-Zentrum der PTB gewachsen worden. Die Schichtstrukturen wurden so entworfen, dass zwei Transportkanäle mit je einem zwei-dimensionalen Elektronengas entstehen, die sich nicht gegenseitig beeinflussen. Die Hall- und Leitfähigkeits-Messungen an den ersten Teststrukturen zeigen in der Tat, dass beide Elektronengase zweidimensionaler Natur sind und bei Parallelschaltung beide Hall-Kurven ungestört überlagert sind. Im nächsten Schritt soll durch Optimierung der Wachstumsbedingungen und der Halbleiterschichtparameter die Ladungsträgerdichte in den beiden Schichten auf möglichst gleiche Werte eingestellt werden, so dass idealerweise die beiden entsprechenden Hallkurven identisch sind. Wenn dies gelingt, ergibt eine Hallmessung bei geeigneter fester Magnetfeldstärke einen Widerstandswert, der einer Parallelschaltung von zwei gleichen quantisierten Widerständen entspricht.