Ziel unserer Abteilung ist die Charakterisierung von elektronischen Systemen bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern. Für uns interessante Strukturen sind vor allem Bauelemente, bei denen die Bewegung der Elektronen in weniger als drei Dimensionen frei ist. Die Herstellung solcher null- oder eindimensionaler Strukturen erfordert den Einsatz einer leistungsfähigen Technologie. Die Nanolithographie mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM = Atomic Force Microscope) ist hierbei eine flexible und einfache Alternative zur herkömmlichen Elektronenstrahllithographie. Die Vorteile des AFMs liegen im einfachen Aufbau des Geräts und der Möglichkeit, die elektronischen Veränderungen während der Strukturierung direkt zu messen und zu steuern. Wir verwenden in unserer Arbeitgruppe im Wesentlichen zwei Verfahren zur Nanostrukturierung mit dem AFM: die mechanische Strukturierung und die lokale Oxidation.
Für die Nanogravur einer Oberflächen wird die Andruckkraft der AFM-Spitze (in unserem Fall bestehend aus einkristallinem Silizium) auf mehrere Mikronewton erhöht, was einem Druck an der Spitze von mehreren Gigapascal entspricht. Unter diesem hohen Druck können Atome aus dem Material entfernt werden, bei Bewegung der Spitze über die Oberfläche entsteht so ein Graben. Auf diesem Weg ist es möglich, Gräben mit Breiten von unter 50 nm und Tiefen von bis zu 15 nm herzustellen.
Wir strukturieren vor allem GaAs-AlGaAs Heterostrukturen, weil sich die Elektronen in diesen Strukturen bei tiefen Temperaturen (< 77 K) nur in zwei Dimensionen frei bewegen können. In diesen liegt dann ein quasi-zweidimensionales Elektronengas (2DEG) vor.
Die mechanische Bearbeitung der Oberfläche solcher Heterostrukturen ermöglicht die Beeinflussung der Bandstruktur des Materials. So können Tunnelbarrieren unterschiedlicher Höhe und Breite gezielt hergestellt werden. Zur Kontrolle messen wir während der Strukturierung den Widerstand zwischen den Kontakten, die wir voneinander durch eine Tunnelbarriere trennen wollen. Bei Erreichen des Abbruchwiderstands wird die Gravur automatisch abgebrochen [1]. Wir konnten zeigen, daß die Höhe der Tunnelbarrieren bei tiefen Temperaturen direkt mit dem Raumtemperaturwiderstand zusammenhängt.
Durch die Kombination von tiefen und flachen Gräben können z.B. Feldeffekttransistoren und Einzelelektronentransistoren hergestellt werden. Dabei werden die Steuerelektroden durch tiefe, breite Gräben definiert und die Tunnelbarrieren durch schmale, flache. Unten ist in drei Bildern die Abfolge der Herstellung dargestellt.
Eine weitere Möglichkeit der Strukturierung von Oberflächen ist die lokale Oxidation. Bei dieser Technik nutzt man den Wasserfilm, der auf fast allen Oberflächen bei normaler Luftfeuchtigkeit adsorbiert ist. Durch eine hohe negative Spannung an der leitfähigen AFM-Spitze können negative Sauerstoff-Ionen in die Oberfläche diffundieren; durch die Reaktion entsteht dann ein Oxid. Auf Grund der kleineren Dichte des Oxids entsteht eine Erhebung, die auch gleich mit dem AFM nachgewiesen werden kann. Mit dieser Technik ist es möglich, Linien mit Breiten von weniger als 40 nm zu schreiben.
Wie mit der Nanogravur können so vor allem definiert schmale Tunnelbarrieren in Heterostrukturen erzeugt werden. Auch diese Tunnelbarrieren eignen sich wieder für die Herstellung eines Einzelelektronentransistors [2,4]. Wir messen während der Oxidation den Strom und die Spannung zwischen der AFM-Spitze und der Oberfläche. Über den Oxidationsstrom kann man die elektronische Höhe der Tunnelbarriere zwischen einigen wenigen meV und mehr als 100 meV durchstimmen, der Zusammenhang zwischen Höhe der Tunnelbarriere und dem Strom ist dabei linear. Dies ist insbesondere für die Herstellung asymmetrischer Bauteile mit definiertem Verhältnis der Tunnelbarrieren interessant.
In der nächsten Zeit sollen Bauteile mit komplizierteren Geometrien hergestellt und charakterisiert werden. Dazu gehört etwa die Koppelung von zwei Einzelelektronentransistoren oder die Verwendung von runden Quantenpunkten.
