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News: Halbleiterbauelemente im Nanometerbereich

Physikern ist es gelungen, sogenannte modulationsdotierte Halbleiterbauelemente mit zweidimensionalem Elektronengas herzustellen. Sie erreichten dabei eine neue Rekorddichte der Elektronen in der aktiven Schicht.
Die Anzahl der Elektronen, die in das zweidimensionale Elektronengas eingefüllt werden konnte, überstieg 1013 Elektronen pro Quadratzentimeter Fläche der aktiven Schicht. Die Wissenschaftler vom Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe dürften damit die höchste Dichte erzielt haben, die jemals in einem entsprechenden Halbleiterbauelement erreicht wurde.

Die Modulationsdotierung ist eine besonders effektive Methode, um Elektronen in extrem dünnen Halbleiterschichten zu erzeugen. Dabei werden Fremdatome in benachbarte Gebiete eingebracht, die leicht ein Elektron abgeben, sogenannte Donatoren. Diese Elektronen werden nach einem kurzen Diffusionsprozeß in die aktive Halbleiterschicht eingefangen.

Die Herstellung der modulationsdotierten Bauelemente erfolgte unter Einsatz einer Molekularstrahl-Epitaxieanlage, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Claus Klingshirn und Dr. Michael Grün vor zwei Jahren in Betrieb genommen wurde. Mit dieser Anlage können durch kontrolliertes Aufdampfen im Ultrahochvakuum dünne Halbleiterschichten mit Schichtdicken von einer Atomlage (etwa 0,3 Nanometer) bis zu 1 000 Nanometern gezielt abgeschieden werden ("Epitaxie"). Durch Kombination von mehreren Materialien können Strukturen aufgebaut werden, die aus einer Vielzahl verschiedener Einzelschichten von unter Umständen nur wenigen Atomlagen Dicke bestehen. Durch die unterschiedlichen Energien der Elektronen in diesen Materialien lassen sich Kombinationen herstellen, bei denen die Elektronen sich im Material mit der tiefsten Energie sammeln und dort verbleiben. Ist diese Materialschicht extrem dünn, das heißt mit Dicken im Nanometerbereich, bildet sich ein quasi-zweidimensionales Elektronengas.

Zweidimensionale Elektronengasstrukturen wurden bis heute fast ausschließlich aus III-V Halbleitern hergestellt. Das sind Verbindungen der III. und V. Spalte des Periodensystems wie GaAs, AlAs, InP und ihre Legierungen, die in Form von Epitaxie-Bauelementen wesentliche Bedeutung erlangt haben, zum Beispiel für Laserdrucker oder für die Gigahertz-Elektronik (Mobiltelefon). Kommerzielle III-V Halbleiterbauelemente, die zweidimensionale Elektronengase zum Stromtransport nutzen, sind seit einigen Jahren verfügbar, zum Beispiel die sogenannten HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Mit der Karlsruher Molekularstrahl-Epitaxieanlage werden Nanostrukturen aus II-VI Halbleitern hergestellt. Das sind Halbleiter, die im sichtbaren Spektralbereich Licht emittieren können, im Gegensatz zu den III-V Halbleitern, die meist im Infraroten abstrahlen. Das derzeit bedeutendste Anwendungsvolumen der II-VI Halbleiter besitzt ZnS, das seit Jahrzehnten als Phosphorersatz für Leuchtschirme eingesetzt wird. Größere Aufmerksamkeit seitens der Forschung erlangten die II-VI Halbleiter in den letzten Jahren, nachdem 1991 in den USA mit ihrer Hilfe die Herstellung der ersten Laserdiode mit blau-grüner Lichtemission gelang.

Die Arbeitsgruppe am Institut für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe widmet sich den Materialien ZnS, CdS, ZnSe und CdSe, wobei weltweit nur ganz wenige Gruppen Strukturen mit CdS produzieren. Der Einsatz gerade dieses Halbleiters als "Elektronenfangschicht" aber war es, der die Herstellung des modulationsdotierten Bauelements mit der sehr hohen Dichte im zweidimensionalen Elektronengas ermöglichte. In Zukunft sollen einfache Feldeffekt-Transistoren hergestellt werden, um das Potential dieser hohen Elektronendichte zu erforschen. Neben der Epitaxie führt die Gruppe auch die Untersuchung der optischen und elektrischen Eigenschaften der Nanostrukturen durch. Dabei wird auch anwendungsorientierten Fragen wie der Eignung zum Halbleiterlaser oder nach dem Aufbau eines optischen Halbleiterschalters nachgegangen. Die Gruppe hofft, auch weiterhin interessante Effekte der Halbleiterphysik durch die Herstellung neuartiger II-VI Nanostrukturen zu erforschen.

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