Arnold Sommerfeld-Preis der BAdW

Nanoelektronik mit Y-Schaltern und Quantendrähten

Zwei- und eindimensionale elektrische Leiter

Y-Schalter wurden auf der Basis modulationsdotierter GaAs/AlGaAs Halbleiterheterostrukturen (MOD- Heterostrukturen, engl. modulation doped) realisiert, in denen sich ein sehr dünner elektrischer Leiter, ein hochmobiles, zweidimensionales Elektronengas (2DEG) befindet [11]. In einem 2DEG hoher Güte können sich Elektronen ballistisch ohne Energieverlust bewegen.

Abbildung 1 zeigt schematisch den örtlichen Verlauf der Energie des Leitungsbandes. Es gilt, dass Elektronen mit einer Energie größer als die Leitungsbandkante beweglich sind. Elektronen mit einer kleineren Energie als die der Bandkante hingegen können nicht bewegt werden. Diese sind für das Schalten nicht interessant.

Abb. 1: Skizze des Leitungsbandverlaufs in Abhängigkeit der Schichtdicke einer Halbleiterschichtenfolge aus GaAs und AlGaAs. an der Grenzschicht der beiden Halbleitermaterialien bilden sich quantisierte Subbänder aus. Ist nur ein Subband durch eine genau abgestimmte Dotierung besetzt, so erhält man ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Derartige Strukturen können in sehr hoher Qualität mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Die Wachstumsrichtung ist als z-Achse bezeichnet. Die Dotierung mit Silizium ist auf den Bereich der AlGaAs-Schicht begrenzt. Insbesondere befinden sich keine ionisierten Donatoren (Kreuze) in unmittelbarer Umgebung des 2DEG, was eine Rückstreuung der Elektronen stark unterdrückt. Das dünne 2DEG ist daher hochmobil und geeignet für schnelle Schalter.
Abb. 1: Skizze des Leitungsbandverlaufs in Abhängigkeit der Schichtdicke einer Halbleiterschichtenfolge aus GaAs und AlGaAs. an der Grenzschicht der beiden Halbleitermaterialien bilden sich quantisierte Subbänder aus. Ist nur ein Subband durch eine genau abgestimmte Dotierung besetzt, so erhält man ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Derartige Strukturen können in sehr hoher Qualität mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Die Wachstumsrichtung ist als z-Achse bezeichnet. Die Dotierung mit Silizium ist auf den Bereich der AlGaAs-Schicht begrenzt. Insbesondere befinden sich keine ionisierten Donatoren (Kreuze) in unmittelbarer Umgebung des 2DEG, was eine Rückstreuung der Elektronen stark unterdrückt. Das dünne 2DEG ist daher hochmobil und geeignet für schnelle Schalter.

Bewegliche und nicht bewegliche Elektronen entstehen durch gezieltes Impfen (Dotieren) mit wenigen Fremdatomen. Es zeigte sich, dass dadurch besonders schnelle Elektronen entstehen, wenn die Siliziumatome (nichtbewegliche Ladungen) von den beweglichen Ladungen örtlich getrennt sind.

Diese örtliche Trennung kann mit der Genauigkeit weniger Atomlagen durch moderne Verfahren des Schichtenwachstums kontrolliert werden. Das 2DEG fungiert als dünner, ebener Kanal, wobei die Quantenmechanik die Elektronen auf neue, diskrete Leitungsbänder mit quantisierten Energien zwingt.