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Peter Grünberg Institut
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Halbleiternanodrähte

Der sogenannte Bottom-Up Ansatz erlaubt es Halbleiternanostrukturen direkt mittels Epitaxie herzustellen. Im Gegensatz zu den alternativen Top-Down Ansatz, bei dem Nanostrukturen durch aufwändige Lithographieverfahren definiert werden, eröffnet sich hier die Möglichkeit den Herstellungsprozess erheblich zu vereinfachen. Unter den möglichen Strukturen, die mittels des Bottom-Up Verfahrens hergestellt werden, sind Halbleiternanodrähte von besonderem Interesse. Der damit verbundene eindimensionale elektrische Leitungskanal kann nicht nur als Element für zukünftige Nanotransistoren genutzt werden sondern er ist darüber hinaus auch eine vielseitige Basis für unterschiedlichste Quantenstrukturen.

Unser Forschungsziel ist die Einsatzmöglichkeiten von Halbleiternanodrähten in der Nanoelektronik und ultimative in der spinbasierten Quanteninformationstechnik auszuloten [1]. Die Halbleiternanodrähte werden entweder mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsen. Beim der Herstellung mittels MBE findet das Wachstum auf einem GaAs oder Si Wafer statt, welcher mit einer nur wenigen Nanometer dicken Siliziumdioxidschicht bedeckt ist. Beim MOVPE Verfahren wird selektives Wachstum auf einem vorstrukturiertem Substrat eingesetzt [2]. Neben Nanodrähten, die aus nur einem Material, z.B. InAs oder GaAs, bestehen, werden von uns auch sogenannten Core/Shell-Strukturen (Kern/Hülle) untersucht. Letztere erlauben einen besseren Einschluss der Ladungsträger im Nanodraht.

Nanodraht-Transistor und QuantenpunktSchema eines Nanodrahttransistors (links) und eines Quantenpunktes (rechts)

MBE und MOVPE InAs NanodrähteInAs Nanodrähte gewachsen mittels Molekularstrahlepitaxie (links) bzw. metallorganischer Gasphasenepitaxie (rechts)


Zur Durchführung von elektrischen Transportmessungen werden die Nanodrähte auf ein vorstrukturiertes Substrat übertragen und mit Hilfe von Elektronenstrahllithographie mit Kontaktelektroden versehen. Die Ladungsträgerkonzentration im Draht kann entweder durch ein Rückseitengate, bei dem das Substrat als Gate fungiert, oder über lithographisch definierte Gatefinger gesteuert werden. Die meisten Transportmessungen werden bei Temperaturen unterhalb von 1K durchgeführt, um so Quanten- und Interferenzeffekte aufzulösen. Ein typisches Beispiel für Interferenzeffekte sind universelle Leitwertfluktuationen, die es erlauben die Phasenkohärenzlänge der Elektronenwellen im Nanodraht zu bestimmen [3-5]. Neben Strukturen mit normalleitenden Kontakten werden von uns auch Hybridstrukturen untersucht, die mit supraleitenden oder mit ferromagnetischen Strukturen versehen sind. In Nanodraht-Quantenpunktstrukturen werden Einzelelektroneneffekte studiert. Der Einsatz eines Mischkryostaten mit Hochfrequenzzugang erlaubt es kohärente Übergänge im Quantenpunkt zu untersuchten. Letztere Effekte sind wichtig für die Realisierung eines spinbasierten Quantenbits in einem Nanodraht-Quantenpunkt.

Kontaktierte InAs Nanodrähte(links) InAs Nanodrähte mit vier ohmschen Kontakten (rechts) InAs Nanodraht-Quantenpunktstruktur mit drei Gate-Fingern in der Mitte

Ausgewählte Publikationen

[1] M. Indlekofer and Th. Schäpers,
On the Possibility of Using Semiconductor Nanocolumns for the Realization of Quantum Bits,
cond-mat/0703520

[2] M. Akabori, K. Sladek, H. Hardtdegen, T. Schäpers, and D. Grützmacher,
Influence of growth temperature on the selective area MOVPE of InAs nanowires on GaAs (111) B using N2 carrier gas
Journal of Crystal Growth, 311, 3813 - 3816 (2009)

[3] Ch. Blömers, Th. Schäpers, T. Richter, R. Calarco, H. Lüth, and M. Marso,
Phase-coherent transport in InN nanowires of various sizes,
Phys. Rev. B 77, 201301 (2008).

[4] Ch. Blömers, Th. Schäpers, T. Richter, R. Calarco, H. Lüth, and M. Marso
Temperature dependence of the phase-coherence length in InN nanowires,
Appl. Phys. Lett. 92, 132101 (2008).

[5] S. Estevez Hernandez, M. Akabori, K. Sladek, Ch. Volk, S. Alagha, H. Hardtdegen, M. G. Pala, N. Demarina, D. Grützmacher, and Th. Schäpers
Spin-orbit coupling and phase coherence in InAs nanowires,
Phys. Rev. B 82, 235303 (2010)

[6] R. Frielinghaus,  I. E. Batov, M. Weides, H. Kohlstedt, R. Calarco, and Th. Schäpers,
Josephson supercurrent in Nb/InN-nanowire/Nb junctions
Appl. Phys. Lett.  96, 132504 (2010).

[7] C. Blömers, M. I. Lepsa, M. Luysberg, D. Gruützmacher, H. Lüth, and Th. Schäpers,
Electronic Phase Coherence in InAs Nanowires
Nano Letters, 11, 3550-3556 (2011) (DOI: 10.1021/nl201102a).

[8] S. Wirths, K. Weis, A. Winden, K. Sladek, C. Volk, S. Alagha, T. E. Weirich, M. von der Ahe, H. Hardtdegen, H. Lüth, N. Demarina, D. Grützmacher, and Th. Schäpers,
Effect of Si-doping on InAs nanowire transport and morphology,
J. Appl. Phys., 110, 053709 (2011) (http://dx.doi.org/10.1063/1.3631026).

[9] R. Frielinghaus, K. Flöhr, K. Sladek, T.E. Weirich, S. Trellenkamp, H. Hardtdegen, Th. Schäpers, C.M. Schneider, C. Meyer, C.
Monitoring structural influences on quantum transport in InAs nanowires
Applied Physics Letters, 101 (2012) 6, 062104

[10] K. Sladek, A. Winden, S. Wirths, K. Weis, Ch. Blömers, Ö. Gül, T. Grap, S. Lenk, M. von der Ahe, T. E. Weirich, H. Hardtdegen, M.I.Lepsa, A. Lysov, Z.A. Li, W. Prost, F.J. Tegude, H. Lüth, Th. Schäpers, D. Grützmacher,
Comparison of InAs nanowire conductivity: influence of growth method and structure
Physica Status Solidi C, 9 (2012) 2, 230 - 234

[11] S. Wirths, M. Mikulics, P. Heintzmann, A. Winden, K. Weis, Ch. Volk, K. Sladek, N. Demarina, H. Hardtdegen, D. Grützmacher, Th. Schäpers,
Preparation of Ohmic contacts to GaAs/AlGaAs-core/shell-nanowires
Applied Physics Letters, 100 (2012) 4, 042103

[12] H. Yao, H.Y. Günel, Ch. Blömers, K. Weis, J. Chi, J.G. Lu, J. Liu, D. Grützmacher, Th. Schäpers,
Phase coherent transport in InSb nanowires
Applied Physics Letters, 101 (2012) 8, 082103

[13] Ch. Blömers,J. G. Lu,L. Huang,C. Witte,D. Grützmacher,H. Lüth,and Th. Schäpers
Electronic Transport with Dielectric Confinement in Degenerate InN Nanowires
Nano Lett.2012, 12 (2012) 2768−2772

Zusatzinformationen

Kontakt:



MBE:
Dr. Mihail Ion Lepsa


MOVPE:
Dr. Hilde Hardtdegen

Transport:
Prof. Dr. Thomas Schäpers


 

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