Preisträger

Die Dimension macht den Unterschied

Niedrigdimensionale Halbleiterstrukturen sind die Basis für viele neue Effekte und wichtige Bauelemente.

  • Gerhard Abstreiter
  • 09 / 2014 Seite: 29

Die Entwicklung neuer Methoden zum Abscheiden von Halbleiterschichten ermöglichte es in den vergangenen vierzig Jahren, die elektronischen und optischen Eigenschaften von Halbleiterstrukturen zu variieren und die elektronischen Bandstrukturen und Bandverläufe „maßzuschneidern“. Während zunächst zweidimensionale Schichtsysteme untersucht wurden, rückten bald eindimensionale Drähte und nulldimensionale Quantenpunkte ins Zentrum des Interesses. Im Lauf der Jahre gelang es auf der Grundlage von niedrigdimensionalen Halbleiter­systemen, eine Vielzahl neuer physikalischer Effekte zu entdecken und unterschiedlichste Bauelemente für vielfältige Anwendungen zu entwickeln.

Einen ersten großen Höhepunkt erlebte die Physik niedrigdimensionaler, insbesondere quasi-zweidimensionaler Elektronensysteme in den 1970er-Jahren. Dieser beruhte auf der Entwicklung von Si-MOS-Transistoren und den dafür notwendigen sehr guten Si/SiO2-Grenzflächen. Eine an MOS-Kondensatoren angelegte Gate-Spannung erlaubt es, an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter (Si) und dem Isolator (SiO2) frei bewegliche Elektronen zu induzieren. Dies setzt eine geringe Dichte von Zuständen an der Grenzfläche voraus, welche die Elektronen „einfangen“ können (Trap-Zustände). Die Elektronendichte, und damit einhergehend die Fermi-Energie, lassen sich mit der angelegten Gate-Spannung kontinuierlich variieren. Da sich die Elektronen senkrecht zur Grenzfläche aufgrund der Raumladungszone im Halbleiter sowie der Barriere zum Isolator nur eingeschränkt bewegen können, hat das Elektronensystem einen quasi-zweidimensionalen Charakter. Entlang der Grenzfläche bleiben die Ladungsträger frei beweglich, sodass sich elektrische Subbänder ausbilden, mit quantisierten Niveaus senkrecht zur Grenzfläche (Abb. 1).

Ebenfalls seit den 1970er-Jahren lässt sich die elektronische Subbandstruktur berechnen, basierend auf einer selbstkonsistenten Lösung der Schrödinger- und Poisson-Gleichung in der Näherung effektiver Massen und auch unter Einbeziehung von Vielteilcheneffekten wie Austausch und Korrelation. Die Schrödinger-Gleichung wird dabei für Bewegungen senkrecht und parallel zur Grenzfläche separiert. Die vielen grundlegenden Arbeiten zu den unterschiedlichsten Eigenschaften von solchen quasi-zweidimensionalen Ladungsträgersystemen haben Ando, Fowler und Stern 1982 in einem ausführlichen Übersichtsartikel mit umfangreichen Literaturangaben zusammengefasst [1]. Besonders interessante Ergebnisse ergaben sich mit einem starken Magnetfeld senkrecht zur zweidimensionalen Grenzfläche. Das quasi-zweidimensionale Elektronengas wird dadurch vollständig quantisiert, da das senkrechte Magnetfeld die Elektronen auf Zyklotronbahnen zwingt bzw. in Landau-Niveaus quantisiert. Die elektronische Zustandsdichte wird dadurch diskret. Experimente zu Shubnikov-de-Haas-Oszillationen und zur Zyklotronresonanz [2] lieferten wertvolle Informationen über Eigenschaften der Ladungsträger wie effektive Massen, effektive g-Faktoren, Streumechanismen und vieles mehr. Der Höhepunkt der damaligen Arbeiten war zweifellos die Entdeckung des Quanten-Hall-Effektes in Si-MOS-Transistoren durch Klaus von Klitzing Anfang 1980 [3] (Nobelpreis 1985). Diese fundamentale Entdeckung löste einen enormen Boom aus. In der Folge entstanden unzählige experimentelle und theoretische Arbeiten, ein neues großes Forschungsgebiet war geboren.  (...)

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