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Peter Grünberg Institut (PGI)
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JARA-FIT Nanoelectronic Lab Course experiments


V1/V2: Herstellung und elektrische Charakterisierung eines Si-Bauelementes

Betreuer: Q. Zhao

Der Laborversuch alternative MOS-Kapazitäten beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von MOS-Kapazitäten mit alternativen Isolatoren. Die Weiterentwicklung der MOSFETs erfordert den Einsatz neuer, optimierter Materialien und deren Charakterisierung. Ein solches neue Materialgruppe sind die high-k Isolatoren, ein prominentes Mitglied dieser Gruppe ist HfO2. Während des Versuches werden im Reinraum des IBN vollständige MOS-Kapazitäten mit unterschiedlich dicken HfO2-Schichten mittels den Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt und elektrisch charakterisiert. Ziel ist die Bestimmung des k-Wertes des Materials und der Qualität des Interfaces zwischen high-k und dem Silizium.


V4: Quantentransport in Halbleiter-Nanostrukturen

Betreuer: Th. Schaepers

Der Versuch "Transport in Nanostrukturen" wird in einem He-3 Kryostaten durchgeführt, welcher es erlaubt Messungen bei Temperaturen von weniger als einem Kelvin durchzuführen. Mit Hilfe von elektrischen Transportmessungen bei tiefen Temperaturen können Informationen über Quantenzustände und Streuprozesse in Halbleiternanostrukturen gewonnen werden. Der Kryostat ist zudem mit einem supraleitenden 10 T Magneten ausgestattet, der es ermöglicht, die Transporteigenschaften in Abhängigkeit vom Magnetfeld zu studieren. Im Verlauf des Versuchs wird die Arbeitsweise des He-3 Kryostaten erläutert. Die Studenten haben Gelegenheit, eine Probe in den Kryostaten einzuschleusen und diese abzukühlen. Anschließend werden elektrische Transportmessungen an Halbleiternanostrukturen bei unterschiedlichen Temperaturen und Magnefeldern durchgeführt.


V6: Redox-basierte nichtflüchtige Speicher

Betreuer: V. Rana, R. Dittmann

Dieser Versuch ist Teil aktueller Forschungsarbeiten in denen neue Materialien für nichtflüchtige Arbeitsspeicher und Massenspeichermedien untersucht werden, die in Zukunft herkömmliche CMOS Technologie ersetzen sollen. Im Gegensatz zum ladungsbasierten DRAM nehmen die neuen Speicherzellen unterschiedliche elektrische Widerstände an, die dann als "0" oder "1" interpretiert werden. Darüber hinaus sind auch Zwischenzustände möglich, die die Speicherung von mehr als einem Bit pro Speicherzelle ermöglichen werden. Da sich diese Speicherzellen bis auf wenige Nanometer verkleinern lassen, können enorme Speicherdichten mit sehr schnellen Ansprechzeiten erreicht werden. In diesem Versuch werden sämtliche Teilschritte zur Herstellung eines Speicherbits durchlaufen. Dazu gehört die Herstellung dünner Oxidschichten mittels Atomic Layer Deposittion (ALD), die Strukturierung der Bauelemente im Reinraum und die anschließende elektrische Charakterisierung.


V9: Resonante Quanten-Tunnelstrukturen

Betreuer: M. Lepsa

The experiments are carried out in the Molecular Beam Epitaxy (MBE) laboratory for III-V compound semiconductors from IBN-1, FZ-Jülich. Here, mainly are grown high quality GaAs/AlGaAs based heterostructures aimed for quantum effect studies in layered semiconductors, as for example the resonant tunneling process. The MBE is the most appropriate method to obtain such heterostructure because of the perfect control of the layer thickness down to one monolayer, high quality of the grown material, good control of the layer doping, atomically sharp interfaces between layers etc. Double barrier quantum well structures (DBQW) represents the prototype systems by means a fundamental phenomena from quantum mechanics, the resonant tunneling process, can be studied at room temperature using the electronic transport in semiconductor heterostructures. During the first part of the experiments, basics related to the use of the MBE equipment will be explained and practiced. The system consists in a Load-Lock-, a Buffer- and a Growth chamber. For in-situ characterization and fixing of the growth rate conditions, a RHEED system is mounted on the Growth chamber. The students learn how the system is calibrated regarding the growth rate and doping and how a GaAs/AlGaAs DBQW structure is grown. Regarding the doping calibration, they prepare samples and do Hall measurements to determine the carrier concentration in doped layers. Also, they learn how to check the surface morphology of the grown samples using a contrast optical microscope. The second part of the experiments is dedicated to the study of the resonant tunneling structures. The students learn main aspects related to the design of such structures. Also, they do electrical characterization of processed DBQW (nano-) diodes, measuring the I-V characteristics of the devices with a micro-probe station and a HP Semiconductor Parameter Analyzer and correlating the results with specific resonant tunneling structures.



V10: Mechanisch kontrollierte "break junctions"

Betreuer: D. Mayer

Im Rahmen dieses Praktikumsversuches werden Nanokontakte für die Kontaktierung einzelner Moleküle mittels einer Bruchkontaktanordnung hergestellt, bei der ein Metalldraht über eine 3-Punktbiegevorrichtung gedehnt wird, bis der Draht reist. Die entstehenden Bruchstellen werden als Elektroden für die Kontaktierung der Moleküle genutzt. Mit diesem Aufbau ist man in der Lage, die Lücke zwischen den Elektroden mit sub-Ångström Genauigkeit auf die Größe der Moleküle anzupassen. Die Studenten werden mit Hilfe der Bruchkontaktanordnung die Änderung des Widerstandes des unmodifizierten Metalldrahtes während des Bruchprozesses untersuchen. Anschließend werden organische Moleküle auf die Bruchkontakte aufgebracht und deren Abstand so variiert, dass die Moleküle an beide Elektroden binden. Durch leichte Modulation des Abstandes kann gezielt zwischen Konfigurationen unterschieden werden, bei denen ein, zwei oder mehr Moleküle die Elektroden verbrücken. Die Heteroschaltungen werden im Rahmen des Praktikums elektrisch charakterisiert und Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften der Moleküle gezogen.


V11: Molekularstrahlepitaxie von Ge-Quantenpunkten

Betreuer: G. Mussler

Das Ziel dieses Praktikumsversuches ist es einen Einblick in das selbstorganisierte Wachstum von Halbleiternanostrukturen zu bekommen. Im Versuch das Wachstum von Germanium-Quantenpunkten auf einem Silizium-Substrat mit Hilfe einer Molekularstrahlepitaxie-Apparatur mit den Studenten durchgeführt. Anschließend werden die hergestellten Quantenpunktproben charakterisiert. Die Methode der Röntgenbeugung wird benutzt, um die Oberflächenrauhigkeit der Quantenpunkte zu bestimmen. Mit der Methode der Rasterkraftmikroskopie werden die Größe, Dichte und Form der Quantenpunkte untersucht.


V12: Kohlenstoff-Nanoröhren

Betreuer: C. Meyer

Kohlenstoff Nanoröhren (carbon nanotubes) bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, das eine geschlossenen Röhre formt (wie eine aufgerollte Graphit-Schicht). Sie verfügen über herausragende elektronische Eigenschaften. So ist der Transport nicht diffusiv, sondern ballistisch, d.h. es gibt (fast) keine Rückstreuung. Das führt dazu, dass carbon nanotubes hohe Stromdichten tragen können (>109 A/cm2), ohne sich dabei aufzuheizen. Ausserdem sind sie perfekte eindimensionale Leiter. In diesem Versuch werden carbon nanotubes selbst hergestellt und die Proben anschließend mit fouriertransformierter (FT-) Raman-spektroskopie untersucht. Die Analyse der FT-Ramanspektren gibt sowohl Aufschluss über die Reinheit der Proben, als auch über deren elektronische Struktur.
Carbon nanotubes consist of carbon atoms ordered in a hexagonal lattice, which forms a seamless tube (like a rolled graphite sheet). Their electronic properties are exceptional. Electronic transport is not diffusive but ballistic, i.e. backscattering is (almost) absent. Therefore, carbon nanotubes can carry high current densities (>109 A/cm2), without heating up. Additionally, they are perfect one-dimensional conductors. During this lab-course, carbon nanotubes will be fabricated. The samples will be studied using Fourier transform (FT-) Raman spectroscopy. Analyzing the FT-Raman spectra one can gain information about the quality of the samples as well as the electronic structure.


V13: Halbleiter Nanodrähte

Betreuer: F. Haas

Halbleiter Nanodrähte eröffnen der Forschung faszinierende Möglichkeiten zur Verwendung in zukünftigen Nano-Bauelementen, wie High-Speed Transistoren, Nano-Laser, Nano-Solarzellen, Photonische Kristallen oder Spin-Bauelementen. Die geringen Ausmaße der Nanodrähte von einigen Mikrometern Länge und wenigen zehn Nanometern Durchmesser sorgen dabei für signifikant veränderte physikalische Eigenschaften des Kristalls gegenüber makroskopischen Bulk-Materialien, so dass neue physikalische Quantenphänomene zum Vorschein treten.
Beim Laborversuch „Halbleiter Nanodrähte“ wird die Herstellung von GaAs, InAs oder GaAs/InAs Heterostruktur Nanodrähten mit Hilfe der Metallorganischen Gasphasen-Epitaxie (MOVPE) demonstriert, sowie deren Analyse mit Elektronenmikroskopie und elektrischer Charakterisierung vorgestellt. Die Studenten erhalten hierbei Einblick in moderne Epitaxie Verfahren zur späteren Massenfertigung von Halbleiter Nanodrähten sowie in die Präparationsverfahren und Analyse von neuartigen Nano-Bauelementen.


V14: Herstellung von multifunktionalen Oxidschichten

Betreuer: Al. Weber

In dem Versuch “Herstellung von multifunktionalen Oxidschichten“ sollen Multilagen von Perowskit-Heterostrukturen hergestellt werden.
Die Kombination unterschiedlicher Oxide mit dem Ziel eine Kopplung der unterschiedlichen Eigenschaften der Einzellagen wie Ferroelektrizität und Ferromagnetismus zu erreichen ist Gegenstand der aktuellen Forschung für die Entwicklung neuer Materialien für die Speicherherstellung.
Hierbei lernen die Studenten den Umgang mit einer Oxid-MBE, von der Substratvorbereitung und Charakterisierung mit Hilfe von Auger-Spektroskopie und LEED, bis zum stöchiometrischen Wachstum der Multilagen und in-situ Charakterisierung während des Wachstums mit RHEED.
Die hergestellten Proben werden anschließend mit einem Röntgenreflektometer bezüglich der Schichtdicken, der Grenzflächenrauigkeit und der Gitterkonstanten untersucht.
Der Versuch soll einen Einblick in die komplexen Fragestellungen des epitaktischen Wachstums von Oxiden geben und die Grundlagen der Charakterisierung von einkristallinen Schichten mit Röntgenreflektometrie und Röntgendiffraktometrie vermitteln.


V15: Transmissionselektronenmikroskopie

Betreuer: A. Kovacs

Tranmission electron microscopy measurements are carried out in the Ernst Ruska-Centre using an FEI Tecnai electron microscope working at 200 kV. The aim is to study the morphology, structure and chemical composition of a thin layer of magnetic semiconductor that was deposited on GaAs substrate. The students will determine the chemical composition of the layer using X-ray energy dispersive spectroscopy. The specimen is pre-thinned using focused ion beam to a thickness of ~ 100 nm. During the experiments, the students will learn the basic operation of TEM e.g. to tilt the specimen using Kikuchi-lines to zone axis, to record bright-field and dark-field images, to record electron diffraction patterns that will be used to determine the zone axis and strain in the system, and to record high-resolution TEM images of the atomic columns of Ga and As.


V16: Spektro-Mikroskopie mit niederenergetischen Elektronen

Betreuer: C. Kumpf

Mit einem “Low Energy Electron Microscope” (LEEM) bzw. “Photoemission Electron Microscope” (PEEM) lassen sich Oberflächen von Festkörpern mit sehr hoher Ortsauflösung (bis zu 2 nm) untersuchen. Insbesondere können kinetische Prozesse wie z.B. Schicht- oder Kristallwachstum in situ während des Wachstumsprozesses in Echtzeit beobachtet werden. Es stehen verschiedene Kontrastmechanismen für die Bildgebung zur Verfügung, so dass die Methode auf sehr unterschiedliche Probensysteme angewandt werden kann.

In dem Praktikumsversuch beobachten wir das Wachstum von organischen Schichten auf Metalloberflächen. Die Schichten sind nur wenige Moleküllagen dick und können durch Veränderung der Temperatur und Aufdampfrate manipuliert werden. Nach dem Wachstum werden die Schichten mittels Elektronenbeugung auf Ihre geometrische Struktur hin untersucht. Auch eine elektronenspektroskopische Charakterisierung ist möglich.

V17: Low-Tempreature Scanning Probe Microscopy experiments with single molecules

Betreuer: R.Temirov

Low-Temperature Scanning Probe Microscopy (LT-SPM) is becoming the versatile tool of nanotechnology research. Using LT-SPM, single molecules and atoms can be imaged and manipulated with unprecedented precision. In the course of this lab course experiment the students will perform experiments using the combined Non-contact Atomic Force/Scanning Tunneling Microscope (NC-AFM/STM) operating at the base temperature of 5 Kelvin. The experiment will be conducted on a monolayer molecular film and single perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) molecules adsorbed on an atomically clean Au(111) surface. The students will be able to get familiar with the most advanced techniques of high-resolution imaging as well as single molecule manipulation.


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