Quantenmaterialien & Nanoelektronik

Quantenmaterialien & Nanoelektronik

Der Forschungsfokus der Heisenberg-Gruppe „Physik der Quantenmaterialien“ liegt im Bereich der Gruppe-IV Halbleiter und deren Nanomaterialien (hauptsächlich Silicium und Germanium). Ausgehend von der grundlegenden Erforschung von Nano- und Quanteneffekten, werden entsprechende Materialien und Nanostrukturen experimentell realisiert und charakterisiert, sowie die Anwendung auf Testbauelemente untersucht. Aktuelles Kernthema ist die Erforschung neuartiger Dotierungsmöglichkeiten für ultra-kleine nanoelektronische Transistoren durch Oberflächenfunktionalisierung und Ladungstransfereffekte. Des Weiteren werden der Einfluss von Punktdefekten sowie Materialien zur Oberflächenfunktionalisierung für die hocheffiziente Silicium-Photovoltaik erforscht.

Modulationsdotierung

Silicium (Si) Nanodrähte mit wenigen Nanometern Durchmesser spielen eine zentrale Rolle für die Weiterentwicklung der mikroelektronischen Transistortechnologie, die essentiell für praktisch jedes elektronische Gerät ist. Nanodrähte ermöglichen die maximale Gate-Kontrolle über den source-drain Strom mittels der gate-all-around field effect transistor (GAA-FET) Architektur. Bezüglich der elektronischen Funktionalisierung von Nanodrahttransistoren stehen viele Konzepte zur Verfügung (p/n-Übergänge, tunnel-FETs, junctionless transistors). Alle Konzepte bauen jedoch auf die Kontrolle der Leitfähigkeit durch klassische Verunreinigungsdotierung (bspw. mit Phosphor oder Bor). Auf der Nanoskala ist eine zuverlässige und effiziente Dotierung aufgrund einer Vielzahl von physikalischen und technischen Problemen jedoch kaum noch möglich. Diese Probleme umfassen u.a. die unerwünschte Diffusion der Dotanden, Segregation oder Deaktivierung der Dotanden an Grenzflächen, die dielektrische- und Quanten-Einschränkung (confinement), die eine Ionisierung der Störstellen verhindert, sowie statistische Probleme beim Versuch kontrolliert ultrakleine Si Nanovolumina mit einer identischen, wohl definierten Zahl von Dotieratomen zu dotieren. In diesem Projekt wollen wir, einem theoretischen Konzept folgend, die von III-V Halbleitern bekannte Modulationsdotierung auf Si übertragen. Bei der Modulationsdotierung werden die Dotieratome räumlich von der zu dotierenden Struktur getrennt und in ein angrenzendes Material mit größerer Bandlücke eingebettet. Dichtefunktional Rechnungen (DFT) zeigten, dass Aluminiumatome (Al) in SiO2 einen unbesetzten Zustand unterhalb der Si Valenzbandkante besitzen, der über Elektroneneinfang aus dem Si ein Loch als Majoritätsladungsträger erzeugt. Damit wäre das eine Si Nanostruktur einbettende SiO2 dotiert während die freien Majoritätsladungsträger im Si dessen Leitfähigkeit bestimmen. Die oben erwähnten Probleme der direkten Dotierung des Si während damit umgangen. In umfangreichen Vorarbeiten konnten wir die Existenz dieses Al-induzierten Akzeptorzustands nachweisen und viele fundamentale Eigenschaften bestimmen. Jetzt wollen wir das Konzept auf Si Nanodrähte übertragen, eine massive Erhöhung der Leitfähigkeit durch Akzeptor-Modulationsdotierung der SiO2 Hülle nachweisen, sowie funktionale Nanodrahttransistor Teststrukturen herstellen und charakterisieren. Zusätzlich zum Al legen DFT Rechnungen nahe, dass es 4 weitere potenzielle Elemente gibt, die SiO2-Modulationsakzeptoren für Si darstellen. Diese sollen im Projekt ebenfalls umfassend untersucht werden und Prozesse für deren Implementierung in Si Nanodrahttransistoren entwickelt werden, um einen Vergleich zwischen den Dotiereigenschaften der verschiedenen Modulationsakzeptorelemente zu ermöglichen.

Methoden

Funktionalisierung von Nanodrahttransistor Teststrukturen mittels Rapid Thermal Processing (RTP) und Atomlagenabscheidung (ALD) im Zentralen Reinraumlabor.

Projekte

DFG-Projekt: Modulations-Akzeptordotierung von SiO2 als neuartige Dotierungsmethode für Silicium Nanodrähte (MADSiNano)