Feldeffekttransistoren mit Quantenpunkten

Feldeffekttransistoren (FET) beziehungsweise genauergenommen Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET) sind Widerstände, die durch eine angelegte Spannung kontrolliert werden. Da in erster Linie nur ein Typ von Ladungsträger in den Stromtransport involviert ist, spricht man von $unipolaren$ Transistoren. Im Gegensatz dazu gibt es auch $bipolare$ Transistoren, wo beide Ladungsträgertypen am Stromtransport beteiligt sind. Klassische Vertreter des FET sind neben dem JFET der Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) und der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) [Sze81].

Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Feldeffekttransistors nach G.Yusa und H.Sakaki [Yus97]. Die zugehörige Beschaltung zeigt Abbildung 3.2, den Bandkantenverlauf Abbildung 3.3.

Bei der von G. Yusa und H. Sakaki zur Realisierung von Speicherbauteilen mit eingebauten Quantenpunkten vorgeschlagenen Struktur handelt es sich um einen modifizierten Feldeffekttransistor (JFET) [Yus97]. Hierbei sind InAs-Quantenpunkte eingebettet in intrinsische GaAs-Schichten. In der Nähe der Quantenpunkte befindet sich ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) so, daß eine Änderung der in den Quantenpunkten gebundenen Ladung einen Einfluß auf die Leitfähigkeit im 2DEG hat - Abbildung 3.3.

Abbildung 3.2: Hall-Struktur (HFET) zur Messung der Leitfähigkeit $N_s$ im 2DEG versus der Gatespannung $V_g$. Eingebettet in das intrinsische GaAs sind die InAs-Quantenpunkte (gelb) [Yus98].

Die Herstellung des untersuchten Bauteils erfolgte in einer Molekularstrahlepitaxie-Anlage (MBE); die Struktur besteht aus mehreren Heteroübergängen, eine schematische Darstellung ist in Abbildung 3.1 zu sehen. Auf einen Wafer wurden 200 nm intrinsisches GaAs aufgetragen, gefolgt von einem Übergitter, bestehend aus elf Perioden von abwechselnd 20 nm Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$As und 2 nm GaAs. Dieser Bereich wird später nicht kontaktiert und dient lediglich dazu, eine gewisse Reinheit der nachfolgenden Schichten zu garantieren. Auf das Übergitter wurde eine sogenannte $\delta$-Dotierung aufgetragen, daß heißt, es handelt sich nicht um eine Volumendotierung, sondern um eine Oberflächendotierung. Die Flächendichte dieser Dotierung beträgt $N^{2d}_D = 1.0 \times 10^{12}\ cm^{-2}$, es entsteht eine Oberflächenladung $\sigma_{\delta}$. Die $\delta$-Dotierung wird von 70 nm Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$As bedeckt, worauf 200 nm undotiertes GaAs folgen. Am Übergang GaAs- Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$As bildet sich das 2DEG. Um die Quantenpunkte zu erzeugen, wurden 1.75 Monolagen InAs abgeschieden, bedeckt von 2.5 nm GaAs. Es folgten 400 nm undotiertes GaAs und 100 nm Aluminium [Yus97].

Untersuchungen mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) an vergleichbaren Proben haben gezeigt, daß unter diesen Bedingungen Quantenpunkte mit einer Höhe von ca. $d_{QD} = 5\ nm$ und Kantenlänge von ungefähr 20 nm entstehen. Die Flächendichte der Quantenpunkte beträgt dabei schätzungsweise $N_{QD} = (5 - 10) \times 10^{10}\ cm^{-2}$ [Yus97].

Der fertige Wafer wurde zu einer Hall-Struktur (HFET) prozessiert, dargestellt in Abbildung 3.2. Am Übergang von der 100 nm dicken Schicht aus Aluminium und dem intrinsischen GaAs bildet sich der Schottky-Kontakt, ferner ist die $\delta$-Dotierung kontaktiert.

Der Einfluß der in den Quantenpunkten gebundenen Elektronen auf das 2DEG wird durch eine Messung der Hall-Leitfähigkeit bestimmt (Abbildung 3.2). G. Yusa und H. Sakaki haben zusätzlich das Bauteil mit einem Laser bestrahlt, um die mit Elektronen besetzten Quantenpunkte wieder zu entleeren. Das wird nicht betrachtet, ausschließlich der Be- beziehungsweise Entladungsprozeß im Dunkeln ist Gegenstand dieser Arbeit.

Abbildung 3.3: Skizze des Bandkantenverlaufs in der Struktur. Zwischen der $\delta$-Dotierung und dem Schottky-Kontakt wird die Gatespannung $V_g$ angelegt. Senkrecht zur Zeichenebene dehnt sich das 2DEG (blau) mit zugehöriger Elektronenkonzentration $N_s$ aus.

Der sich ergebende Leitungsbandkantenverlauf für die Struktur ohne angelegte Spannung und mit ungeladenen Quantenpunkten ist in Abbildung 3.3 skizziert. Der Abstand Fermi-Niveau zur Bandkante am rechten Kontakt ist durch die Schottky-Barrierenhöhe $E_s$ gegeben. Im Bereich des intrinsischen GaAs, das nur wenige freie Ladungsträger enthält, verläuft das Band linear. Am Ort der Quantenpunkte ist der Bandkantensprung bedingt durch den Übergang GaAs-InAs zu sehen, ebenso beim Übergang von GaAs zu Al$_{0.25}$Ga$_{0.75}$As. An dieser Stelle verläuft das Fermi-Niveau unterhalb der Leitungsbandkante, wodurch sich das 2DEG bildet. Am Ort der $\delta$-Dotierung geben die ionisierten Störstellen ein Feld vor, welches einen Knick im Bandkantenverlauf verursacht.

Abbildung 3.4: Bei $T=77\ K$ gemessene Hysterese in der Elektronenkonzentrations-Gatespannungs-Kennlinie [Yus97] ($N_s$: Elektronendichte im 2DEG-Kanal, $V_g$: Gatespannung).

Beim Aufnehmen einer Kennlinie wird die Elektronenkonzentration $N_s$ des 2DEGs (Einheit: $cm^{-2}$) in Abhängigkeit von der Gatespannung $V_g$ bestimmt. Die in dieser Arbeit betrachtete Messung - Abbildung 3.4 - erfolgte bei einer Temperatur von $T=77\ K$. Sind am Anfang der Kennlinie die Quantenpunkte ungeladen, so ergibt sich eine hohe Leitfähigkeit im 2DEG, da die Elektronen nicht von einer Ladung in den Quantenpunkten beeinflußt werden. Im Experiment erfolgt die Variation der Spannung von $0\ V$ zu einem Maximalwert und wieder zurück innerhalb mehrerer Sekunden [Yus97]. Das Leitungsband wird durch die angelegte Gatespannung in Richtung Quasi-Fermi-Niveau verschoben, ab einer bestimmten Spannung liegen die Quantenpunkt-Energieniveaus unterhalb des Quasi-Fermi-Niveaus, werden also mit Ladungsträgern gefüllt. Entsprechend der Geschwindigkeit der Spannungsvariation ergibt sich eine Verweildauer des Quantenpunkt-Energieniveaus unterhalb des Quasi-Fermi-Niveaus, in der die Quantenpunkte besetzt werden. Gleichzeitig taucht die Bandkante im Bereich des 2DEGs tiefer unter das Quasi-Fermi-Niveau, die Leitfähigkeit $N_s$ wird dadurch relativ zum Ausgangspunkt erhöht. Das Feld der Elektronen in den Quantenpunkten beeinflußt das 2DEG, die Elektronen dort werden abgestoßen, die Leitfähigkeit verringert sich wiederum im Vergleich zum ungestörten 2DEG. Beim Herunterregeln der Spannung auf $0\ V$ wird das Quantenpunkt-Energieniveau zurück über das Quasi-Fermi-Niveau gezogen. Eine genaue Darstellung dieser dynamischen Vorgänge anhand der berechneten Bandkantenverläufe erfolgt in Abschnitt 3.4. Die Quantenpunkte sind eingebettet in intrinsisches GaAs, die daraus resultierenden Barrieren sind so hoch (siehe Abbildung 3.3), daß die gebundenen Ladungsträger bei niedrigen Temperaturen ($77\ K$) die Quantenpunkte nicht verlassen können [Yus98]. Am Ende der Kennlinie verbleibt daher aufgrund der in den Quantenpunkten lokalisierten Elektronen ein deutlicher Unterschied im Vergleich zum Ausgangspunkt. Experimentell ist diese Hysterese in der Kennlinie eines Feldeffekttransistors mit Quantenpunkten gemessen worden [Yus97], [Li01], [Koi00], die in dieser Arbeit betrachtete Hysterese ist in Abbildung 3.4 zu sehen. Pfeile kennzeichnen den Ast, bei dem die Spannung rauf- (Up-Sweep) beziehungsweise runtergeregelt (Down-Sweep) wird. Bei ca. $1\ V$ sieht man in der Kennlinie eine kleine Spitze. Ein Vergleich mit den gemessen Kennlinien in [Yus98] läßt vermuten, daß diese durch die Darstellung der Meßergebnisse entsteht: die Verweildauer bei größeren Spannungen im Experiment unterscheidet sich anscheinend von der bei kleineren Spannungen.

Im folgenden soll genauer untersucht werden, welche (dynamischen) Prozesse innerhalb des Bauteils diese Hysterese entstehen lassen.