TY  - THES
A1  - Rösch, Matthias
T1  - Kopplung von kollektiven Anregungen in einlagigen und doppellagigen quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen
T1  - Coupling of collective excitations in monolayer and bilayer quasi two-dimensional electron systems
N2  - Gegenstand dieser Arbeit ist die Kopplung von kollektiven Anregungen in einlagigen und doppellagigen quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen. Es wurden verschiedene modulationsdotierte Proben auf Basis von GaAs mit Gate-Elektrode und Gitterkoppler präpariert, um bei variabler Elektronendichte die Plasmon-Anregungen mit Hilfe der Ferninfrarot-Spektroskopie zu studieren. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgte durch eine selbstkonsistente Berechnung des elektronischen Grundzustandes, der Plasmon-Anregungsenergien und der optischen Absorption des Elektronengases. Zur Bestimmung der Absorption wurde dabei auf Grundlage bestehender Ansätze ein eigener Formalismus im Rahmen der Stromantwort-Theorie entwickelt. Somit gelangen der erstmalige Nachweis von optischen und akustischen Intersubband-Plasmonen in zweilagigen Elektronensystemen sowie eine detaillierte Analyse der Kopplung von Intersubband-Plasmonen an optische Phononen und an strahlende Gittermoden im Bereich der Rayleigh-Anomalie.
N2  - The coupling of collective excitations was studied in monolayer and bilayer quasi two-dimensional electron systems. Different modulation-doped samples based on GaAs were prepared with gate electrode and grating coupler in order to detect the plasmon excitations at variable electron densities by means of far-infrared spectroscopy. The experimental data were analyzed by calculating self-consistently the electronic ground state, the plasmon energies, and the optical absorption of the electron gas. To determine the optical absorption, based on existing concepts an own formalism in the framework of the current-response scheme was developed. By this, the existence of optical and acoustic intersubband modes in a bilayer system could be shown for the first time, and a detailled analysis of the coupling of intersubband plasmons to optical phonons and to radiative grating modes in the range of the Rayleigh anomaly was possible.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Aluminiumarsenid
KW  - Mischkristall
KW  - Heterostruktur
KW  - Kollektive Anregung
KW  - Q2DEG
KW  - Plasmonen
KW  - FIR-Spektroskopie
KW  - Stromantwort
KW  - Q2DEG
KW  - plasmons
KW  - far-infrared spectroscopy
KW  - current response
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9892
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schliemann, Andreas Ulrich
T1  - Untersuchung von miniaturisierten GaAs/AlGaAs Feldeffekttransistoren und GaAs/InGaAs/AlGaAs Flash-Speichern
T1  - Study of miniaturised GaAs/AlGaAs field effect transistors and GaAs/InGaAs/AlGaAs flash memories
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden elektronische Bauelemente wie Feldeffekttransistoren, elektronische Speicherelemente sowie resonante Tunneldioden hinsichtlich neuartiger Transporteigenschaften untersucht, die ihren Ursprung in der Miniaturisierung mit Ausdehnungen kleiner als charakteristische Streulängen haben. Die Motivation der vorliegenden Arbeit lag darin, die Physik nanoelektronischer Bauelemente durch einen neuen Computercode: NANOTCAD nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ beschreiben zu können. Der besondere Schwerpunkt der Transportuntersuchungen lag im nicht-linearen Transportbereich für Vorwärtsspannungen, bei denen die Differenz der elektrochemischen Potentiale im aktiven Bereich der Bauelemente bei Weitem größer als die thermische Energie der Ladungsträger ist, da nur im nicht-linearen Transportbereich die für eine Anwendung elektronischer Bauelemente notwendige Gleichrichtung und Verstärkung auftreten kann. Hierzu war es notwendig, eine detaillierte Charakterisierung der Bauelemente durchzuführen, damit möglichst viele Parameter zur genauen Modellierung zur Verfügung standen. Als Ausgangsmaterial wurden modulationsdotierte GaAs/AlGaAs Heterostrukturen gewählt, da sie in hervorragender struktureller Güte mit Hilfe der Molekularstrahllithographie am Lehrstuhl für Technische Physik mit angegliedertem Mikrostrukturlabor hergestellt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenenergie entwickelt und durchgeführt, das darauf beruht, die Elektronendichte eines nahe der Oberfläche befindlichen Elektronengases in Abhängigkeit unterschiedlicher Oberflächenschichtdicken zu bestimmen. Es zeigte sich, dass die so bestimmte Oberflächenenergie, einen äußerst empfindlichen Parameter zur Beschreibung miniaturisierter Bauelemente darstellt. Um die miniaturisierte Bauelemente zu realisieren, kamen Herstellungsverfahren der Nanostrukturtechnik wie Elektronenstrahllithographie und diverse Ätztechniken zum Einsatz. Durch Elektronmikroskopie wurde die Geometrie der nanostrukturierten Bauelemente genau charakterisiert. Transportmessungen wurden durchgeführt, um die Eingangs- und Ausgangskennlinien zu bestimmen, wobei die Temperatur zwischen 1K und Raumtemperatur variiert wurde. Die temperaturabhängigen Analysen erlaubten es, die Rolle inelastischer Streuereignisse im Bereich des quasi-ballistischen Transports zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden dazu verwendet, um die NANOTCAD Simulationswerkzeuge soweit zu optimieren, dass quantitative Beschreibungen von stark miniaturisierten, elektronischen Bauelementen durch einen iterativen Lösungsalgorithmus der Schrödingergleichung und der Poissongleichung in drei Raumdimensionen möglich sind. Zu Beginn der Arbeit wurden auf der Basis von modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen eine Vielzahl von Quantenpunktkontakten, die durch Verarmung eines zweidimensionalen Elektronengases durch spitz zulaufende Elektrodenstrukturen realisiert wurden, untersucht. Variationen der Splitgate-Geometrien wurden statistisch erfasst und mit NanoTCADSimulationen verglichen. Es konnte ein hervorragende Übereinstimmung in der Schwellwertcharakteristik von Quantenpunktkontakten und Quantenpunkten gefunden werden, die auf der genauen Beschreibung der Oberflächenzustände und der Erfassung der realen Geometrie beruhen. Ausgehend von diesen Grundcharakterisierungen nanoelektronischer Bauelemente wurden 3 Klassen von Bauelementen auf der Basis des GaAs/AlGaAs Halbleitersystems detailliert analysiert.
N2  - In this thesis electronic devices such as field effect transistors, electronic memory devices and resonant tunnelling have been examined with regard to new transport characteristics that have their origin in the miniaturization with extensions smaller than characteristic lengths. The motivation for this thesis was to be able to describe the physics of nanoelectronic devices via a new computer code: NANOTCAD not only by quality but also by quantity. The special emphasis of the transport examinations was on the non-linear transport regime for bias voltages with which the difference of the electro-chemical potentials in the active section of the devices is by far bigger than the thermic energy of the charges, for only in the non-linear transport regime we find the rectification and intensification necessary for the application of electronic devices. To achieve this it was necessary to characterize the devices in detail to have as many parameters for exact modelling as possible. Modulation-doped GaAs/AlGaAs heterostructures were chosen as basic material, for they can be produced in excellent structural quality with the help of molecular beam lithography at the Technical Physics department with attached microstructure laboratory. In this thesis first a method to determine the surface potential was developed and put into operation, a method that is based on the determination of the electron density of an electron gas near the surface in dependence of differently thick surface layers.We can see that the surface energy determined that way is an extremely sensible parameter for the description of miniaturized devices. To realize the miniaturized devices processing techniques of the nanostructure technology such as electron beam lithography and different etching techniques were used.With the electron microscopy the geometry of the nano-structured devices was exactly characterized. Transport measurements had been made to determine the input- and output characteristics with a temperature varying between 1 Kelvin and room temperature. The temperature-dependent analysis allow to analyze the role of inelastic scattering events in the sector of quasi-ballistic transport. The results of this thesis had been used to optimize the NANOTCAD simulation tools in a way that quantitative descriptions of strongly miniaturized electronic devices via an iterative solution algorithm of the Schroedinger equation and the Poisson equation in three dimensions are possible. The thesis starts with an examination of many quantum dot contacts which had been realized by a depletion of an two-dimensional electron gas via tapered electrode structures. Variations of the split gate geometries had been registered statistically and then been compared to NANOTCAD simulations. An excellent accordance in the threshold characteristics of quantum dot contacts and quantum dots could be found which are based on the exact description of surface states and the registration of the real geometry that had been determined with the analysis of electron-microscopic recordings of the structures. From these basic characteristics of nanoelectronic devices three classes of devices on the basis of the GaAs/AlGaAs semiconductor systems had been analyzed in detail.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Indiumarsenid
KW  - Aluminiumarsenid
KW  - Feldeffekttransistor
KW  - Flash-Speicher
KW  - AlGaAs
KW  - Quantenpunkt
KW  - Speicher
KW  - ballistisches Transport Regime
KW  - nanoelectronics
KW  - AlGaAs
KW  - quantum dot
KW  - memory
KW  - ballistic transport
KW  - nanoelectronics
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20503
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schott, Gisela Marieluise
T1  - Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von (Ga,Mn)As Halbleiterschichten
T1  - Molecular beam eptiaxy and characterisation of (Ga,Mn)As semiconductor layers
N2  - In der Spintronik bestehen große Bemühungen Halbleiter und ferromagnetische Materialien zu kombinieren, um die Vorteile der hoch spezialisierten Mikroelektronik mit denen der modernen magnetischen Speichertechnologie zu verbinden. In vielen Bereichen der Elektronik wird bereits der III-V Halbleiter GaAs eingesetzt und ferromagnetisches (Ga,Mn)As könnte in die vorhandenen optischen und elektronischen Bauteile integriert werden. Deshalb ist eine intensive Erforschung der kristallinen Qualität, der elektrischen und magnetischen Eigenschaften von (Ga,Mn)As-Legierungsschichten von besonderem Interesse. Wegen der niedrigen Löslichkeit der Mangan-Atome in GaAs, muss (Ga,Mn)As außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes mit Niedertemperatur-Molekularstrahl-Epitaxie hergestellt werden, um eine ausreichend hohe Konzentration an magnetischen Ionen zu erreichen. Dieses Niedertemperatur-Wachstum von Galliumarseniden verursacht Schwierigkeiten, da unerwünschte Defekte eingebaut werden können. Die Art der Defekte und die Anzahl ist abhängig von den Wachstumsparametern. Vor allem das überschüssige Arsen beeinflusst neben dem Mangan-Gehalt die Gitterkonstante und führt zu einer starken elektrischen und magnetischen Kompensation des (Ga,Mn)As Materials. Abhängig von den Wachstumsparametern wurden Eichkurven zur Kalibrierung des Mangan-Gehaltes aus Röntgenbeugungsmessungen, d. h. aus der (Ga,Mn)As-Gitterkonstanten bestimmt. Um ein besseres Verständnis über die Einflüsse der Wachstumsparameter neben dem Mangan-Gehalt auf die Gitterkonstante zu bekommen, wurden Probenserien gewachsen und mit Röntgenbeugung und Sekundärionen-Massenspektroskopie untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Mangan-Gehalt, unabhängig von den Wachstumsparametern, allein vom Mangan-Fluss bestimmt wird. Die Gitterkonstante hingegen zeigte eine Abhängigkeit von den Wachstumsparametern, d. h. von dem eingebauten überschüssigen Arsen in das (Ga,Mn)As-Gitter. Im weiteren wurden temperaturabhängige laterale Leitfähigkeitsmessungen an verschiedenen (Ga,Mn)As-Einzelschichten durchgeführt. Es ergab sich eine Abhängigkeit nicht nur von dem Mangan-Gehalt, sondern auch von den Wachstumsparametern. Neben den Leitfähigkeitsmessungen wurden mit Kapazitäts-Messungen die Ladungsträgerkonzentrationen an verschiedenen (Ga,Mn)As-Schichten bestimmt. Es konnten Wachstumsbedingungen gefunden werden, bei der mit einem Mangan-Gehalt von 6% eine Ladungsträgerkonzentration von 2 · 10^(21) cm^(-3) erreicht wurde. Diese Schichten konnten reproduzierbar mit einer Curie-Temperatur von 70 K bei einer Schichtdicke von 70 nm hergestellt werden. Mit ex-situ Tempern konnte die Curie-Temperatur auf 140 K erhöht werden. Neben (Ga,Mn)As-Einzelschichten wurden auch verschiedene (GaAs/MnAs)- Übergitterstrukturen gewachsen und mit Röntgenbeugung charakterisiert. Ziel was es, Übergitter herzustellen mit einem hohen mittleren Mangan-Gehalt, indem die GaAs-Schichten möglichst dünn und die MnAs-Submonolagen möglichst dick gewachsen wurden. Dünnere GaAs-Schichten als 10 ML Dicke führten unabhängig von der Dicke der MnAs-Submonolage und den Wachstumsparametern zu polykristallinem Wachstum. Die dickste MnAs-Submonolage, die in einer Übergitterstruktur erreicht wurde, betrug 0.38 ML. Übergitterstrukturen mit nominell sehr hohem Mangan-Gehalt zeigen eine reduzierte Intensität der Übergitterreflexe, was auf eine Diffusion der Mangan-Atome hindeutet. Der experimentelle Wert der Curie-Temperatur von (Ga,Mn)As scheint durch die starke Kompensation des Materials limitiert zu sein. Theoretische Berechnungen auf der Grundlage des ladungsträgerinduzierten Ferromagnetismus besagen eine Erhöhung der Curie-Temperatur mit Zunahme der Mangan-Atome auf Gallium-Gitterplätzen und der Löcherkonzentration proportional [Mn_Ga] · p^(1/3). Zunächst wurden LT-GaAs:C-Schichten mit den Wachstumsbedingungen der LT-(Ga,Mn)As-Schichten gewachsen, um bei diesen Wachstumsbedingungen die elektrische Aktivierung der Kohlenstoffatome zu bestimmen. Es konnte eine Löcherkonzentration von 5 · 10^19 cm^(-3) verwirklicht werden. Aufgrund der erfolgreichen p-Dotierung von LT-GaAs:C wurden (Ga,Mn)As-Einzelschichten zusätzlich mit Kohlenstoff p-dotiert. Abhängig von den Wachstumsbedingungen konnte eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration im Vergleich zu den (Ga,Mn)As-Schichten erreicht werden. Trotzdem ergaben magnetische Messungen für alle (Ga,Mn)As:C-Schichten eine Abnahme der Curie-Temperatur. Der Einfluss der Kohlenstoff-Dotierung auf die Gitterkonstante, die elektrische Leitfähigkeit und die Magnetisierung ließ auf einen veränderten Einbau der Mangan-Atome verursacht durch die Kohlenstoff-Dotierung schließen.
N2  - In the field of spintronics there are efforts to combine semiconductors and ferromagnetic materials in order to merge the advantages of highly specialised microelectronics with modern magnetic hard disk technology. The III-V semiconductor GaAs is employed in many electronic circuits and the ferromagnetic (Ga,Mn)As could be integrated in current optical and electronic devices. Therefore an intensive investigation of its crystalline quality and its electrical and magnetic properties is of particular interest. Because of the low solubility of manganese atoms in GaAs, (Ga,Mn)As must be fabricated far from thermal equilibrium with low-temperature molecular beam epitaxy in order to achieve a high concentration of magnetic ions and holes. This low-temperature growth of gallium-arsenide compounds creates difficulties because undesirable defects are built into the host lattice. The type and quantity of defects is dependent on growth parameters. The lattice constant is influenced not only by the manganese concentration, but also by the arsenic excess, which causes a high electrical and magnetic compensation of the (Ga,Mn)As material. Depending on the growth parameters, calibration curves for manganese incorporation were determined from x-ray diffraction, i. e. from the lattice constant of (Ga,Mn)As. To get a better understanding about the influence of growth parameters other than manganese concentration on the lattice constant, we grew several series of samples for investigation by x-ray diffraction and secondary ion mass spectroscopy. It was shown that the manganese concentration is determined only by the manganese flux and is independent of other growth parameters. However the lattice constant shows a dependence on the growth parameters, i. e., on the excess arsenic build into the host lattice (Ga,Mn)As. Furthermore the temperature dependence of the lateral conductivity of different (Ga,Mn)As layers was investigated. A dependence on growth parameters in addition to a dependence on the manganese concentration was observed. Beside these conductivity measurements, capacitance measurements were carried out in order to determine the carrier concentration of various (Ga,Mn)As layers. Growth parameters yielding were determined which resulted in a carrier concentration of 2 × 1021 cm-3 for a manganese concentration of 6 %. Such layers were reproducibly fabricated, with a Curie temperature of 70 K, for a layer thickness of 70 nm. With ex situ annealing it was possible to raise the Curie temperature to 140 K. In addition to (Ga,Mn)As single layers, several (GaAs/MnAs) superlattices were grown and characterized by x-ray diffraction. The aim was to grow superlattices with a high average manganese concentration consisting of thin GaAs layers and thick MnAs submonolayers. GaAs layers thinner than 10 ML lead to polycrystalline growth independent of the thickness of the MnAs submonolayer. The thickest MnAs submonolayer which could be realized was 0.38 ML. Superlattices with a nominally high manganese concentration have reduced satellite peak intensities in x-ray diffraction, indicating a diffusion of the manganese atoms. The experimental value of the (Ga,Mn)As Curie temperature seems to be limited due to strong compensation of the material. Theoretical calculations based on the carrier induced ferromagnetism model predict an increase of the Curie temperature with increasing manganese atoms on gallium sites and with hole concentration following ~ [Mn_Ga] × p^(1/3). Initially, LT-GaAs:C layers were grown with the same parameters as LT-(Ga,Mn)As layers in order to determine the electrical activation of the carbon atoms with these growth parameters. A hole concentration of 5 × 10^(19) cm^(-3) was achieved. Because of the promising p-doping of the LT-GaAs:C several (Ga,Mn)As layers were additionally doped with carbon. Depending on growth parameters, an increase in the hole concentration could be achieved compared to the intrinsic (Ga,Mn)As layers. However magnetisation measurements show a decrease in the Curie temperature for all (Ga,Mn)As:C layers. The influence of the carbon doping on the lattice constant, the electrical conductivity, and the magnetism indicates that the manganese atoms are incorporated into the lattice host differently as result of the carbon doping.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Ferromagnetische Heterostruktur
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - (Ga
KW  - Mn)As
KW  - Ferromagnetismus
KW  - III - V Halbleiter
KW  - molecular beam epitaxy
KW  - (Ga
KW  - Mn)As
KW  - ferromagnetism
KW  - III - V semiconductors
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13470
ER  - 
TY  - THES
A1  - Möller, Carsten
T1  - Vertikal emittierende Sendedioden auf GaAs-Basis für den nahen Infrarotbereich
T1  - Vertical light emitting devices based on GaAs for the near infrared wavelength region
N2  - Design und Implementierung überragender vertikaler Sendedioden sowie Tunnelkontakte auf GaAs-Basis.
N2  - Design and implementation of record vertical light emitting devices and tunnel junctions based on GaAs.
KW  - Vertikalresonator
KW  - Galliumarsenid
KW  - GaAs
KW  - Sendedioden
KW  - vertikal
KW  - GaAs
KW  - point emitters
KW  - vertical
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16728
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Christian Robert
T1  - Nanoelektronische Feldeffekt-Transistoren und Quantenpunktspeicher auf der Basis von modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen
T1  - Nanoelectronic field-effect transistors and quantum-dot-flash memories based on modulation-doped GaAs/AlGaAs heterostructures
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit Elektronentransport in nanostrukturierten Bauelementen auf Halbleiterbasis, wobei im Speziellen deren Transistor- und Speichereigenschaften untersucht werden. Grundlage für die Bauelemente stellt eine modulationsdotierte GaAs/AlGaAs Heterostruktur dar, die mittels Elektronenstrahllithographie und nasschemischen Ätzverfahren strukturiert wird. Auf Grund der Bandverbiegung bildet sich in der Nähe des Heteroübergangs ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, das als leitfähige Schicht in den Strukturen dient. Im Rahmen der Arbeit werden die Transporteigenschaften für unterschiedliche Bauelementdesigns untersucht, wobei die laterale Ausdehnung der Bauelemente wenige 10 nm beträgt. Die Charakterisierung des Elektronentransports erfolgt sowohl im linearen als auch nichtlinearen Transportregime für tiefe Temperaturen (T = 4.2 K) bis hin zu Raumtemperatur. Das erste experimentelle Kapitel beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Charakterisierung von statischen Speicherzellen mit integriertem Floating Gate. Bei den hierfür hergestellten Bauelementen befindet sich eine Schicht selbstorganisierter Quantenpunkte (QDs) in direkter Nähe zum 2DEG. Der Abstand zwischen 2DEG und QDs ist kleiner als die Abschirmlänge im Halbleitermaterial, wodurch die QDs als Floating Gate dienen und Informationen elektrisch gespeichert werden können. Die Speicherzellen wurden in Form von Quantendraht-Transistoren (QWTs) und Y-Schaltern (YBSs) realisiert und bezüglich der Speicherfähigkeit der QDs sowohl bei tiefen Temperaturen als auch bei Raumtemperatur untersucht. Im zweiten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neues, auf dem Feldeffekt beruhendes, Transistordesign vorgestellt. Die hierfür hergestellten Heterostrukturen besitzen ein 2DEG, das sich zwischen 33 nm und 80 nm unterhalb der Oberfläche der Heterostruktur befindet. Mittels in die Oberfläche der Heterostruktur geätzter Gräben wird eine Isolation zwischen den leitfähigen Regionen der Bauelemente geschaffen. Das einfache Design der sogenannten Three-Terminal Junctions (TTJs), in Verbindung mit dem oberflächennahen 2DEG, ermöglicht die monolithische Realisierung von integrierten logischen Gattern. Durch eine ausführliche Betrachtung des Transistorverhaltens der TTJs können sowohl Subthreshold Swings kleiner als das thermische Limit klassischer Feldeffekt-Transistoren als auch Hochfrequenzfunktionalität demonstriert werden.
N2  - In this thesis, electron transport in nano-structured, semiconductor devices is investigated with focus on transistor characteristics and memory effects. The investigated devices are based on a modulation-doped GaAs/AlGaAs heterostructure and are structured by electron-beam lithography and wet-chemical etching. Close to the heterointerface, a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed and serves as conducting layer for the electron transport. Different devices with lateral dimensions of a few 10 nm are fabricated and are characterized in the linear and nonlinear transport regime at low temperatures, i.e. T = 4.2 K, as well as at room temperature. The first chapter is dedicated to the experimental results on the design and characterization of memory devices with a floating gate. The devices are based on a modulation-doped heterostructure with a layer of self-assembled quantum dots (QDs) in close vicinity to the conducting layer. The distance between QDs and 2DEG is less than the screening length and, therefore, the QDs serve as floating gate on the 2DEG. Hence, information can be stored electrically. For the memory devices, quantum-wire transistors (QWTs) and electron Y-branch switches (YBSs) are used and characterized, with respect to the floating-gate function of the QDs, at low temperatures and up to room temperature. In the second chapter of this thesis, a novel transistor design based on the field effect is presented. For this purpose, the 2DEG is situated between 33 and 80 nm below the surface of the heterostructure. The conducting parts of the devices are insulated from each other by etched insulation trenches. Due to the monolithic design of the three-terminal junctions (TTJs) with a shallow 2DEG, an integrated logic gate is realized. By analyzing the switching properties of the TTJs in detail, subthreshold swings below the thermal limit and high frequency functionality are demonstrated.
KW  - Galliumarsenid
KW  - Aluminiumarsenid
KW  - Heterostruktur-Bauelement
KW  - HEMT
KW  - SET-Transistor
KW  - Quantenpunkt
KW  - Nanodot-Speicher
KW  - Flash-Speicher
KW  - HEMT
KW  - field-effect transistor
KW  - quantum dot
KW  - flash memory
KW  - rectification
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39948
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gerschütz, Florian
T1  - GaInAs/AlGaAs-Quantenpunktlaser für Telekommunikationsanwendungen mit einer Wellenlänge von 1,3 μm
T1  - GaInAs/AlGaAs quantum dot lasers for telecommunication applications at a wavelength of 1.3 µm
N2  - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen, neuartigen Quantenpunkthalbleiterlasern für Telekommunikationsanwendungen im Wellenlängenbereich um 1,3 μm. Dabei stellen diese Bauteile jeweils die besten in der Literatur zu findenden Quantenpunktlaser bei dieser Wellenlänge dar. Die hervorragende Eignung dieser Laser für Telekommunikationsanwendungen mit signifikant verbesserten Eigenschaften gegenüber Quantenfilmlasern wird im Verlauf der Arbeit mehrfach demonstriert. Bei der Darstellung der unterschiedlichen Arten von Quantenpunktlasern und ihrer Eigenschaften wird zuerst auf deren Herstellung eingegangen, die sich teilweise in wesentlichen Punkten unterscheidet. Bei der Charakterisierung der Lasereigenschaften wird zwischen den statischen und den dynamischen Eigenschaften unterschieden. Besonderheiten werden jeweils anhand theoretischer Modelle erläutert und herausgearbeitet. Außerdem zeigt sich, dass alle Laser – entweder im Hinblick auf ihre statischen oder dynamischen Eigenschaften – Bestwerte für Quantenpunktlaser erzielen. Speziell gelingt es, eine bisher unerreichte Temperaturstabilität zu erreichen. So kann erstmals an einem Rippenwellenleiterlaser ohne Rückkopplungsgitter eine negative charakteristische Temperatur bei Raumtemperatur demonstriert werden: Zwischen 25°C und 45° liegt der T0-Wert bei -190 K, der Schwellenstrom reduziert sich von 14 mA auf 13 mA. Oberhalb von 45°C zeigt der Laser mit T0=2530 K ebenfalls ein ausgezeichnetes Temperaturverhalten, das bisher an keinem anderen Laser – weder Quantenpunkt- noch Quantenfilmlaser – demonstriert werden konnte. In diesem Temperaturbereich (45°C - 85°C) ist die Laserschwelle nahezu konstant bei 13 mA. Hinzu kommt die hohe Ausgangsleistung von über 20 mW für Ströme kleiner als 40 mA bei allen Messtemperaturen. Darüber hinaus erreichen die FP-Laser bei der Kleinsignalmodulation mit 8,6 GHz bei 25°C neue Rekordwerte. Diese Ergebnisse werden erst durch eine hochwertige p- Modulationsdotierung ermöglicht, deren Einfluss und Wirkung ebenfalls erläutert werden. Das Material für diese Laser wurde in vielen Schritten aufwändig optimiert. Die DFB-Laser stellen die ersten longitudinal monomodigen Bauteile dieser Arbeit dar. Auch diese Laser verfügen über ausgezeichnete Temperatureigenschaften und erreichen bei der Kleinsignalmodulation mit 7,8 GHz bei 25°C einen neuen Bestwert für Quantenpunkt-DFB-Laser. Noch bedeutender sind allerdings die Ergebnisse der Großsignalmodulation: So kann erstmals temperaturunabhängige 10 Gbit/s-Direktmodulation im Temperaturbereich von 25°C bis 85°C über 20 km bei konstantem Betriebspunkt erreicht werden. Dies demonstriert das große Potential dieser Bauteile für einen Einsatz in Lasermodulen ohne thermoelektrischen Kühler, was durch die damit verbundene Reduzierung der Kosten in der Praxis große Bedeutung hat. Um die Bandweite auf Quantenpunktmaterial noch weiter zu erhöhen, werden Complex- Coupled-Injection-Grating-Laser untersucht. Diese Laser bestehen aus drei Segmenten und nutzen ein neuartiges Konzept zur Erhöhung der Bandweite: Durch die Wechselwirkung verschiedener Longitudinalmoden kann eine höhere Resonanz im Laser, die Photon-Photon-Resonanz, ausgenutzt werden, um die Bandweite des Bauteils auf etwa das zweieinhalbfache der vorgestellten FP-Lasers auszuweiten. Zum ersten Mal wird so eine Modulationsweite von 20 GHz an einem direkt modulierten Laser auf Quantenpunktbasis gezeigt. Durch getrenntes Ansteuern der drei Lasersegmente ist es möglich, die Lage und die Form der PPR gezielt einzustellen. Die drei Segmente übernehmen dabei unterschiedliche Funktionen: Während das Verstärkungssegment nur dazu dient, die Ausgangsleistung zu kontrollieren, kann über das Gittersegment die Position der zweiten Resonanz gesteuert werden. Strominjektionen in das Phasensegment schließlich erlauben eine Feinabstimmung der Phasenlage der Moden im Laser und somit die Steuerung der Form der Photon-Photon-Resonanz. Bei der Präsentation der Großsignaldaten zeigt sich, dass der CCIGLaser sowohl bei 25°C als auch bei 85°C eine Modulationsgeschwindigkeit von 10 GBit/s erreicht und zur Transmission über ein Glasfaserkabel von 20 km Länge geeignet ist. Wie schon der DFBLaser benötigt auch das CCIG-Bauteil aufgrund seiner hervorragenden Temperaturstabilität keinen thermoelektrischen Kühler. Wegen des äußerst sensiblen Verhaltens der Phasenlage auf Stromänderungen ist jedoch eine Anpassung der Betriebsparameter an die jeweilige Temperatur notwendig. Schließlich werden weit abstimmbare Quantenpunktlaser vorgestellt, die auf eigens hierfür optimiertem Material mit spektral breiter Verstärkungscharakteristik prozessiert wurden. Diese Laser emittieren monomodig bei 1315 nm, 1335 nm, 1355 nm, 1375 nm und 1395 nm. Die Wellenlänge lässt sich durch einen einfachen Abstimmmechanismus diskret einstellen, eine kontinuierliche Feinabstimmung ist zusätzlich möglich. Mit diesen Eigenschaften eignen die Laser sich hervorragend für den Einsatz in CWDM-Systemen, deren Kanalabstand jeweils 20 nm beträgt. Durch den breiten Abstimmbereich von 80 nm sind sie zudem als einzige bisher realisierte Laser in der Lage, fünf unterschiedliche Kanäle anzusprechen. Darüber hinaus sind auch diese Bauteile für den kosteneffizienten Einsatz unter Direktmodulation ausgelegt. Obwohl auch diese Laser auf Quantenpunkten bei 1,3 μm basieren, sind die Anforderungen an das Material für einen abstimmbaren Laser andere als bei den bereits präsentierten Lasern. Besonders wichtig ist hier die Breite der Verstärkungskurve, so dass ein möglichst großer Spektralbereich abgedeckt werden kann. Hierzu konnte anhand eines Modells der Verstärkungsbereich theoretisch bestimmt werden. Rechnerisch zeigt sich, dass Laseremission über einen Bereich von mehr als 60 nm möglich ist. In der Praxis wird dieser Wert sogar noch um 20 nm übertroffen, da die Rechnung die Rotverschiebung der Verstärkungskurve mit der Temperatur nicht berücksichtigt. Mit den in dieser Arbeit vorgestellten Daten und Ergebnissen wird die hervorragende Eignung von Quantenpunklasern für verschiedenste Anwendungen im Telekommunikationsbereich gezeigt. Darüber hinaus zeigt sich in vielen wesentlichen Punkten die Überlegenheit dieser Laser über konventionelle Quantenfilmlaser. Somit konnte erfolgreich die Grundlage für zukünftige kommerzielle Anwendungen der Quantenpunkttechnologie gelegt werden.
N2  - This work deals with new and different kinds of semiconductor lasers for telecommunication applications in the wavelength area around 1.3 μm. The different devices presented within this work represent the best quantum dot lasers that can be found in literature. This work clearly demonstrates the excellent suitability of these lasers for telecommunication applications with significantly improved properties in comparison to quantum well lasers. Within this work, each chapter presenting the different lasers and their properties, starts with the description of their fabrication. The manner of fabrication differs, as it depends on the function of each laser in the field of telecommunications. Within the chapters dealing with the characterisation of each laser both static and dynamic properties are demonstrated. Furthermore special features of these devices are explained by theoretical models. It is also shown that all devices attain best results in international competition – whether in statical or dynamical operation. The FP devices are able to reach a high temperature stability that has never been shown before. For the first time a ridge waveguide laser without grating reached a negative characteristic temperature at room temperature: Between 25°C and 45°C the device reaches a T0 of -190 K, corresponding to a reduction of the threshold current from 14 mA to 13 mA. Even above 45°C the laser shows an excellent temperature behaviour (T0=2530 K), which has not been demonstrated by quatum dot or quantum well lasers before. In this temperatur range (45°C - 85°C) the threshold current is almost constant at 13 mA. In addition to that, a high optical output power of 20 mW for currents less than 40 mA at all temperatures deserves to be mentioned. Furthermore the FP devices reach a new record in small signal bandwidth of 8.6 GHz at 25°C. These results are due to the high quality p-modulation doping, which is also explained in detail. The material of these lasers has been optimized in various steps. The DFB lasers presented are the first devices in this work that emit longitudinal singlemode light. These lasers also show an excellent temperature stability and they reach a new record for quantum dot DFB lasers at 7.8 GHz under small signal modulation at 25°C. Even more impressive are the results obtained in large signal measurement: For the first time a singlemode DFB device under 10 Gbit/s direct modulation was capable of temperature independent transmission over 20 km of glass fibre at a constant point of operation in the temperature range between 25°C and 85°C. This result clearly demonstrates the vast potential of these devices for operation in laser modules without a thermoelectric cooler, which is specifically important in regard to reducing production and maintaining costs. In order to further extend the bandwidth on quantum dot material complex-coupled-injection grating lasers are investigated. The design of the lasers consists of three sections. The CCIG lasers use a new concept to enlarge the bandwidth: The interaction of different longitudinal modes in the cavity enables a higher order resonance, the photon-photon-resonance, that can be utilised to enhance the modulation bandwidth to two and a half times the bandwidth of the presented FP devices. This effect allows to reach a modulation bandwidth of 20 GHz on directly modulated lasers based on quantum dot material for the very first time. By separately controlling the three sections of the laser, it is possible to tune the position and the shape of the PPR. The three sections each have a different function: While the gain section only controls the optical output power, the grating section controls the position of the second resonance. Finally, the phase section allows the fine tuning of the phase of the interacting modes, hence the shape of the PPR. The presentation of the large signal data reveals that the CCIG laser reaches a bandwidth of 10 Gbit/s over 20 km of glass fibre in the temperature range form 25°C to 85°C. Just like the DFB-devices, the CCIG laser does not need a thermoelectric cooler due to its excellent temperature stability. But it is necessary to adjust the operating paramters to the temperature because of the sensitive reaction of the phase to current variations. Finally, widely tuneable devices are presented. These devices were processed on wafer material with spectrally broad gain characteristics that has especially been optimized for this purpose. The lasers show singlemode emission at wavelentghs of 1315 nm, 1335 nm, 1355 nm and 1395 nm. The wavelength can be discretely switched using a simple adjusting mechanism. In addition to that, a continuous fine tuning is possible. Showing these qualities, the lasers are particularly suitable for operations in CWDM systems with a channel spacing of 20 nm. Due to their broad tuning range of 80 nm, they are the only lasers worldwide that are capable of covering five different channels. Furthermore these devices are suitable for cost-efficient operation under direct modulation. Even though these lasers are based on 1.3 μm quantum dot material, the material requirements of a tuneable laser differ from the reqirements of the lasers presented so far. Special attention should be paid to the broadness of the gain curve to cover as large a spectral range as possible. A model, which allows the theoretical prediction of the gain range, has been developed. On the basis of this model, it was possible to predict an emission range larger than 60 nm. In practice, this range is even exceeded by 20 nm due to the temperature induced red shift of the gain curve, which the model does not take into account. The data and results presented in this work clearly show the excellent suitability of quantum dot lasers for all kinds of applications in the different fields of telecommunication. Even more importantly do they show the superiority of these lasers over conventional quantum well lasers. Thus, this work was possible to successfully create the foundation of commercial applications of the quantum dot technology in the future.
KW  - Quantenpunktlaser
KW  - Indiumarsenid
KW  - Galliumarsenid
KW  - Aluminiumarsenid
KW  - Quantenpunktlaser
KW  - Halbleiterlaser
KW  - quantum dot laser
KW  - semiconductor laser
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53362
N1  - PACS - Klassifikation: Quantum dots devices, 85.35.Be, Semiconductors, III-V, Semiconductor lasers, 42.55.Be
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bisping, Dirk
T1  - Wachstum und Charakterisierung von GaInNAs-basierenden Halbleiterstrukturen für Laseranwendungen in der optischen Telekommunikation
T1  - Growth and characterization of GaInNAs-based semiconductor structures for laser applications in optical communication
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Molekularstrahlepitaxie GaInNAs-Strukturen für mögliche Anwendungen in der Telekommunikation als GaAs-basierende Alternative für herkömmliche Laser auf InP-Substrat hergestellt und untersucht. Zunächst wurden durch Optimierung der Substrattemperaturmessung und RF-Plasmaquelle die Voraussetzungen für gutes GaInNAs-Wachstum geschaffen. Thermisches Ausheilen ist essentiell, um eine gute optische Qualität von GaInNAs-Strukturen zu erzielen. Man beobachtet einen signifikanten Einfluss von Ausheildauer und -temperatur. Exzessives Ausheilen bei zu hohen Temperaturen bzw. zu langen Zeiten führt, neben einer ebenso unerwünschten Blauverschiebung der Emission, wiederum zu einer Degradation der optischen Qualität, die sich in einer deutlichen Reduktion der Photolumineszenz(PL)-Intensität äußert. GaInNAs-Quantenfilm(QF)-Laser mit Emission um 1240 nm mit möglicher Anwendung als Pumplaser für Ramanverstärker wurden hergestellt und charakterisiert. Durch eine Optimierung des in-situ-Ausheilens dieser Laserstrukturen konnten Laser mit sehr niedrigen Schwellenstromdichten von deutlich unter 200 A/cm^2 hergestellt werden. Für eine möglichst hohe Ausgangsleistung wurde der Wirkungsgrad der Bauteile durch eine Optimierung der internen Verluste erhöht. Eine Reduktion der internen Verluste konnte durch eine Anpassung des Dotierprofils und die Verwendung von sogenannten Large-Optical-Cavities (LOCs) erreicht werden. Mit Hilfe des LOC-Designs konnten sehr niedrige interne Verluste von nur 0,5 1/cm bei einer internen Quanteneffizienz von nahezu 80 % erreicht werden. Mit optimierten Strukturen wurde stabiler Dauerstrichbetrieb bei Ausgangsleistungen von mehreren Watt über 1000~h ohne sichtbare Degradation demonstriert. Mit auf dem LOC-Design basierenden Lasern konnte schließlich eine sehr hohe Ausgangsleistung von ca. 9 W gezeigt werden. Anschließend wurden Untersuchungen zu Quantenpunkten (QPen) im Materialsystem GaInNAs vorgestellt. Mit steigendem Stickstoffgehalt beobachtet man eine Rotverschiebung der Emission bis auf 1,43 µm, allerdings gleichzeitig eine deutliche Degradation der optischen Qualität. Eine Untersuchung der QP-Morphologie ergibt eine Reduktion der Homogenität der QP-Größenverteilung, die sich im Auftreten zweier unterschiedlich großer QP-Ensembles äußert. Um diese Degradation der QPe zu vermeiden, wurde weiterhin auf den N-Einbau in den QPen verzichtet. Wider Erwarten führt der Verzicht auf N in den QPen nicht zu einer Blauverschiebung der Emission. Dieses Resultat konnte auf die veränderte QP-Morphologie zurückgeführt werden. Durch eine Erhöhung des N-Gehaltes im die QP überwachsenden QF wurde eine weitere deutliche Rotverschiebung der Emission erreicht. So konnte PL-Emission bei Raumtemperatur mit einem Emissionsmaximum bei 1600 nm demonstriert werden. Weiterhin wurden GaInNAs-QF-Strukturen für Laser im Wellenlängenbereich um 1550 nm untersucht. Da das Wachstum hier auf Grund des deutlich höheren, notwendigen N-Gehaltes wesentlich schwieriger wird, erfolgte zunächst eine detaillierte Untersuchung der wesentlichen Wachstumsparameter. Hierbei ist es essentiell, auch das Ausheilverhalten der jeweiligen Strukturen genau zu betrachten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur auf GaInNAs-Teststrukturen wurden signifikante Unterschiede auch bei nur sehr geringen Änderungen in der Substrattemperatur von nur 10 °C festgestellt. Die beobachteten Effekte wurden vor dem Hintergrund des Modells der QP-ähnlichen Emitter diskutiert. Eine Variation des Arsen-Flusses zeigte einen deutlichen Einfluss auf die PL-Emission und vor allem auf das Ausheilverhalten. Das Ausheilverhalten lässt sich durch eine Anpassung des Arsen-Flusses maßgeschneidert anpassen. Während dem Überwachsen der aktiven Schicht mit Mantel- und Kontaktschicht kann es bereits zu einem Überausheilen der Strukturen kommen. Es wurden Laser mit niedrigen Schwellenstromdichten um 1 kA/cm^2 bis zu einer Wellenlänge von 1500 nm hergestellt. Für höhere Wellenlängen steigt die Schwellenstromdichte in den Bereich von 2 bis 3 kA/cm^2. Maximal wurde Laseremission bei über 1600 nm erreicht. Bei der Untersuchung der bei 1600 nm emittierenden Laserdioden wurde eine Verbreiterung der Laseremission zur hochenergetischen Seite auf bis zu 150 nm Bandbreite bei steigendem Betriebsstrom beobachtet. Dieser Effekt kann mit Hilfe des Modells der QP-ähnlichen Emitter verstanden werden. Unter Ausnutzung dieses Effekts wurden auf dem selben epitaktischen Material monomodige Distributed-Feedback(DFB)-Laser über einen Wellenlängenbereich von ca. 1500 nm bis 1600 nm gezeigt. Auf Basis der zuvor vorgestellten langwelligen Laserstrukturen mit niedrigen Schwellenstromdichten wurde erstmals Dauerstrichbetrieb von monomodigen DFB-Lasern im Bereich um 1500 nm und von multimodigen Stegwellenleiter-Lasern über 1500 nm im Materialsystems GaInNAs gezeigt.
N2  - In this work, GaInNAs structures for telecom application based on GaAs in contrast to common lasers based on InP substrates have been grown by molecular beam epitaxy and subsequently characterized. First, optimizations of substrate temperature measurement and RF plasma source were incorporated to allow high quality GaInNAs growth. Thermal annealing is crucial to achieve high optical quality of GaInNAs structures. After a discussion of the microscopic processes during annealing, the influence of annealing parameters was examined. Excessive annealing with too high temperatures or too long times can, besides the typical blue-shift of the emission, also result in a decrease of the optical quality leading to a considerable reduction of the photoluminescence intensity. Laser diodes based on GaInNAs quantum wells emitting around 1240nm have been grown and characterized for a potential application as pump sources for Raman amplifiers. Using an optimization of the in-situ annealing during growth of these structures, laser diodes with very low threshold current densities well below 200 A/cm^2 have been realized. To achieve maximum output powers, the wallplug efficiencies of these devices have been increased by reducing the internal losses. Low internal losses have been achieved using an optimized doping profile or large optical cavities (LOCs). Using a LOC, very low internal losses of only 0.5 1/cm together with a high internal quantum efficiency of almost 80 % have been achieved. Stable performance for 1.000 h without degradation under continuous-wave operation was achieved. Using lasers with a LOC design, high maximum output powers of about 9 W have been demonstrated in continuous-wave operation. Afterwards, studies concerning quantum dots based on the GaInNAs material system have been shown. Increasing N-content leads to a redshift of the emissions wavelength up to 1.43 µm, but accompanied by a significant reduction of the optical quality. An examination of the quantum dot morphology also reveals a reduction in homogeneity of the quantum dot size distribution resulting in the occurence of quantum dot ensembles with two different sizes. To avoid this degradation of the quantum dots, N was not incorporated in the quantum dots, but only in the quantum well on top of the quantum dots. Unlike expectations, this doesn't involve a blueshift of the emission wavelength. This result could be explained by the different quantum dot morphology. By increasing the N-content in the quantum well the emission wavelength at room temperature was redshifted to 1600 nm. In addition, GaInNAs quantum well structures for laser diodes in the wavelength range around 1550 nm have been examined. Due to the more difficult growth resulting from the necessary higher N-content, a detailed examination of the growth parameters was required. Doing that, it is obligatory to take the annealing behaviour into account. A study of the influence of the substrate temperature showed a significant influence of very small differences in the range of 10 °C. Results have been discussed based on the modell of quantum dot like emitters. A variation of the arsenic flux during growth showed strong impact on photoluminescence emission and particularly annealing behaviour. The annealing behaviour can be tailored by changing the arsenic flux. Overgrowth of the quantum well with cladding and contact layers in complete laser stuctures can already result in over-annealing of the quantum well. It was possible to realize laser diodes with low threshold current densities in the range of 1 kA/cm^2 with emission wavelengths up to 1500 nm. For longer wavelengths, threshold current densities increase into the range of 2 to 3 kA/cm^2. The longest laser emission wavelength achieved was slightly above 1600 nm. Detailed examination of laser diodes emitting at 1600 nm revealed a huge broadening of the laser emission to higher energies resulting in an emission bandwidth of up to 150 nm under increasing drive current. This effect is explained using the model of quantum dot like emitters. Making use of this effect, single mode emitting distributed feedback lasers with emission wavelengths covering the whole wavelength range from 1500 to 1600 nm have been demonstrated. Based on the described long-wavelength laser diodes with low threshold current densities, continuous-wave operation of single-mode distributed feedback laser near 1500 nm and multimode ridge-waveguide lasers above 1500 nm have been shown for the first time using the GaInNAs material system.
KW  - Halbleiterlaser
KW  - Drei-Fünf-Halbleiter
KW  - Optoelektronik
KW  - verdünnte Nitride
KW  - Dilute Nitrides
KW  - Galliumarsenid
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Telekommunikation
KW  - Hochleistungslaser
KW  - Dauerstrichbetrieb
KW  - Nitride
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77538
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tavakoli, Kia
T1  - Herstellung und Charakterisierung spintronischer und caloritronischer (Ga,Mn)As-Nanostrukturen
T1  - Fabrication and Characterization of spintronic and caloritronic (Ga,Mn)As nanostructures
N2  - Die elektronischen Bauteile, die aus unserer technischen Welt kaum wegzuddenken sind, werden immer kleiner. Aktuelle ICs bestehen zum Beispiel aus Milliarden von Transistoren, von denen jeder einzelne kleiner als 100nm (dem 100-stel des typischen Durchmessers eines Menschenhaars) ist. Dass die Entwicklung auch zukünftig weiter dem Trend des Mooreschen Gesetzes folgen wird, gilt hierbei als unbestritten.
Die interessanteste Fragestellung der Halbleiter- und Nanostrukturforschung in diesem Zusammenhang ist: Kann man die weitere Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnik dadurch erreichen, dass man die Miniaturisierung der Transistoren in Mikroprozessoren und Speicherbauelementen weiter vorantreibt oder ist man auf gänzlich neue Wege angewiesen?
Bei der weitergehenden Miniaturisierung ist die größte Hürde darin zu suchen, ob man in der
Lage sein wird die Verbrauchsleistung dieser Bauelemente weiter zu reduzieren, um die Überhitzung der Bauteile in den Griff zu bekommen und nicht zuletzt auch, um Energie zu sparen.
Die heutige Elektronik hat ihre Grundlagen in den 60er Jahren. Diese Art der Elektronik ist jedoch hinsichtlich der Effizienzsteigerungen und vor allem der Wärmeentwicklung an ihre Grenzen gestoßen. Hauptursache für diese problematische Wärmeentwicklung sind die elektrischen Verbindungen, die die Informationen zwischen der halbleiterbasierten Datenverarbeitung und den metallischen Speicherelementen hin und hertransportieren. Obwohl diese elektrischen Verbindungen zum aktuellen Zeitpunkt aus der Computerarchitektur nicht weg zu denken sind, ist es eines der Hauptziele diese Verbindungen nicht mehr verwenden zu müssen. Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn es gelingt, die Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) zu vereinen.
Bisher wurde die Ladung eines Elektrons für die Verarbeitung von elektrischen Informationen
bzw. Zuständen benutzt. Was wäre jedoch, wenn man diese bisherige Basis völlig ändert? Der
Spin der Elektronen ist ein viel effektiverer Informationsträger als die Ladung der Elektronen
selbst, nicht zuletzt deshalb, weil die Veränderung des Spins eines Elektrons im Vergleich zu
dessen Bewegung einen weitaus geringeren Energiebetrag benötigt [1]. Die Technik, die zusätzlich zur Informationsverarbeitung durch makroskopische Elektronenströme den viel effektiveren Spin-Quantenzustand der Elektronen oder Löcher als Freiheitsgrad nutzt, ist die sogenannte Spintronik1. Die Spinfreiheitsgrade eröffnen, wegen der längeren Phasenkohärenzlänge, im Vergleich zu den orbitalen Freiheitsgraden, völlig neue Wege für zukünftige Entwicklungen wie z.B. den Quantencomputer. Damit wäre die Entwicklung niederenergetischer Bauelemente möglich, die fast keine Wärmeentwicklung aufweisen. Wegen dieser vielen Vorteile hat sich die Spintronik in Rekordzeit von einer interessanten wissenschaftlichen Beobachtung in Rekordzeit zu einer marktbewegenden Anwendung weiterentwickelt (Nobelpreis 2007). Seinen Anfang nahm diese Entwicklung 1988 mit der Entdeckung des GMR-Effekts. Nach nur 9 Jahren wurden 1997 erste Festplatten-Leseköpfe eingesetzt, die sich diesen Effekt zu Nutze machten. Leseköpfe, die den Riesenmagnetwiderstand nutzen, waren nunmehr um ein Vielfaches empfindlicher als es die konventionelle Technik zugelassen hätte. Die Speicherdichte und damit die Kapazitäten der Festplatten konnte somit erheblich gesteigert und Festplatten mit zuvor nie gekannter Speicherkapazität preiswert produziert werden. Seit dieser Zeit rückt der Elektronenspin immer weiter in den Brennpunkt von Forschung und Entwicklung.
Da sich der elektrische Widerstand von Halbleitern in einem weiten Bereich manipulieren lässt
(was für ferromagnetische Metalle nicht der Fall ist), werden logische Bauelemente aus halbleitenden Materialien hergestellt. Im Gegensatz dazu sind ferromagnetische Metalle sehr gute Kandidaten für die Speicherung von Informationen. Dies liegt vor allem daran, dass zufällige Magnetfelder viel schwächer sind, als zufällige elektrische Felder, was ferromagnetische Systeme wesentlich unanfälliger macht. Daher sind die magnetischen Speicher nicht flüchtig und zudem müssen deren Informationsgehalte nicht wie bei DRAM immer wieder aufgefrischt werden. Um die jeweiligen Vorteile der Materialklassen – die magnetisch energiesparende sowie dauerhafte Speicherfähigkeit der Metalle und die logischen Operationen der Halbleiter – miteinander kombinieren zu können und damit neuartige Bauelemente wie z.B. MRAMs (logische Operationen und dauerhafte Speicherung) zu bauen, sind ferromagnetischen Halbleiter unverzichtbar. Auf dieser Basis könnten Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Element (Halbleiter) dargestellt werden. Zugleich braucht man aber auch neue Wege, um diese Speicher zu magnetisieren und später auslesen zu können. Ein weiterer Vorteil liegt zudem darin, dass hierzu kein Einsatz beweglicher Teile notwendig ist. Die Magnetisierungskontrolle muss aber temperaturunabhängig sein!
Der am besten erforschte ferromagnetische Halbleiter ist (Ga,Mn)As, der deswegen die Modellrolle einnimmt und als Prototyp für alle ferromagnetischen Halbleiter dient. Die Kopplung seiner magnetischen und halbleitenden Eigenschaften durch Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportphänomene in diesem Materialsystem. Diese Phänomene sind vielfach die Grundlage für neuartige Anwendungen, Bauteildesigns und Wirkprinzipien.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die interessanten Anisotropien in (Ga,Mn)As, die von der sehr starken Spin-Bahn-Kopplung im Valenzband herrühren zu nutzen, sowie neue spinbezogene Effekte in verschiedenen magnetischen Bauelementen zu realisieren.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird auf die grundlegenden Eigenschaften des (Ga,Mn)As und einige neuartige Spineffekten, die dieses Material mit sich bringt, eingegangen. Das zur Erzeugung dieser Effekte notwendige fertigungstechnische Wissen, für die lithografische Erzeugung der spintronisch bzw. caloritronisch aktiven Nanostrukturen, wird im Kapitel 2 beschrieben.
Um mit dieser Welt der Spineffekte „kommunizieren“ und die Effekte kontrollieren zu können,
sind entsprechend angepasste und funktionsfähige Kontaktierungen notwendig. Mit der detaillierten Herstellung und Analyse dieser Kontakte beschäftigt sich das Kapitel 3. Es wurden
zwei Arten von Kontakten hergestellt und bei den Proben eingesetzt: in situ (innerhalb der
MBE-Wachstumskammer) und ex situ. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der ex situ-Probenpräparation, die Reproduzierbarkeit der Kontakte, besonders bei logisch magnetischen Elementen, nicht gewährleistet werden konnte. Bei funktionierender Kontaktierung war das magnetische Verhalten dann jedoch stets gleich. Bei den in situ-Kontakten war zwar einerseits das elektrische Verhalten reproduzierbar und sehr gut, aber das magnetische Verhalten war nicht zufriedenstellend, da die Relaxation nicht vollständig stattfand.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten die ex situ-Kontakte optimiert werden. Dabei wurde auf die
Problematiken bereits existierender Proben eingegangen und es wurden verschiedene Lösungsan sätze dafür gefunden. So konnte z.B. gezeigt werden, dass die Haftungsprobleme hauptsächlich auf dem unsaubere Oberflächen zurückzuführen sind. Jede Schicht, die zwischen aufgedampfter Metallschicht und dem dotierten Halbleiter bestehen bleibt, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine oxidierte Schicht, Lackreste oder eine, zum Teil verarmte Schicht handelt, beeinträchtigt die Funktionalität der Kontakte. Je kleiner die Dimension der Kontakte, desto stärker wirkt sich die unsaubere Oberfläche aus. So konnte gezeigt werden, dass ab einer Größe von ca. 500nm_500nm die Zuverlässigkeit der Kontakte elementar von der Reinheit der Oberflächen und deren Homogenität beeinflusst wird. Zur Abwendung dieser Komplikationen werden verschiedene Lösungsansätze vorgeschlagen. Wird die Oberfläche mit hochenergetischen Ionen versetzt, verarmt deren Dotierung, was zu einer massiven Änderung der Leitfähigkeit führt. Daher wurden entweder völlig andere Prozessparameter zur Reinigung eingesetzt, die den dotierten HL nicht verarmen oder einer der nasschemischen Schritte wurde so angepasst, dass die extrem verarmte Schicht der HL-Oberfläche entfernt wurde.
Die einfachsten spintronischen Bauelemente (Streifen) und magnetischen Logikelemente sowie
deren Ergebnisse werden im Kapitel 4 diskutiert.
Hier wurde eindeutig gezeigt, dass die Streifen bei niedrigen Stromdichten nicht völlig uniaxial
sind, während bei erhöhten Stromdichten die Uniaxialität immer dominanter wird. Dies war
jedoch zu erwarten, da bei erhöhten Stromdichten die Temperatur auch ansteigt und da, bei
erhöhter Temperatur, die biaxiale Anisotropie mit M4, die uniaxiale aber jedoch nur mit M2
abfällt – die dominante Anisotropie wechselt folglich von biaxial zu uniaxial [2]. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Grundlagen gelegt, um Speicherelemente und Datenverarbeitung in einem einzigen Halbleiter (Ga,Mn)As herzustellen. Auf Basis dieser Arbeit und den dabei gewonnenen litographischen Erkentnissen wurden, in nachfolgenden Arbeiten, solche Bauelemente realisiert [3].
Spin-Kaloritronik:
Wie schon Eingangs erwähnt, wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die Miniaturisierung der zukünftigen Elektronik weitergeführt werden kann. Bei stetiger Verkleinerung der Strukturen kommt es in heutigen Anwendungen zu immer größeren Problemen bei der Wärmeabfuhr. Die Folgen der Temperaturdifferenzen innerhalb der Strukturen führen dabei zu sog. Hotspots oder sogar Materialschäden. Temperaturunterschiede müssen aber nicht nur negative Auswirkungen
haben. So wurde an einem ferromagnetischen System aus Nickel, Eisen und Platin der sogenannte Spin-Seebeck-Effekt gemessen, bei dem die Elektronen in den Regionen verschiedener Temperatur unterschiedliche Spinpolarisationen zeigen [4].
Eine Batterie, die diesen spinpolarisierten Strom nutzt, könnte einen entscheidenden Fortschritt
in der Spintronik bedeuten. Dieser Bereich der Forschung an thermoelektrischen Effekten, bei
denen ferromagnetische Materialien involviert sind, wird auch „spin-caloritronics“ genannt [5].
Die Kapitel 5 und 6 beschäftigen sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile. whärend das Kapitel 5 sich mit einer neuartigen Klasse spintronischer Bauteile, für die von uns
als Bezeichnung TAMT („tunnel anisotropic magneto thermopower“) eingeführt wurde, beschäftigt, wird in Kapitel 6 an einem veränderten Probenlayout der Nernst-Effekt nachgewiesen.
Die Geometrie wurde in beiden fällen so gewählt und hergestellt, dass durch die Anisotropien
des (Ga,Mn)As die beiden thermoelektrische Effekte (Seebeck- und Nernst-Effekt) auf einen
n+-p+-Übergang übertragen werden konnten. Durch einen Strom, in einem mit Silizium hoch
dotierten GaAs-Heizkanal, kann jeweils ein vertikaler Temperaturgradient erzeugt werden. Die
hierbei entstehenden Thermospannungen wurden durch eine vollständige elektrische Charaktri sierungsmessung mit Hilfe präziser Lock-in-Verstärker-Technik detektiert.
Das Kapitel 5 beschäftigt sich mit allen Bereichen, von der Idee bis hin zu Messungen und Analysen des Seebeck-Effektes an einem n-p-Übergang (TAMT). Außerdem ist ein sehr einfaches numerisches Modell dargestellt, dass den gefundenen Effekt theoretisch beschreibt.
Durch die bekannten thermoelektrischen Effekte ergibt sich ein Temperaturgradient der immer
zu einer Thermospannung und somit zu einem Thermostrom entlang des Gradienten führt. Für
zukünftige Entwicklungen ist es demnach wichtig, diese Effekte zu beachten und diese bei elektrischen Messungen an Nanostrukturen als mögliche, zusätzliche Ursache eines Messsignals in Betracht zu ziehen.
In den vorliegenden Proben ist der Seebeck-Effekt stark anisotrop, mit einem größeren Thermospannungswert für Magnetisierungen entlang der magnetisch harten Achsen des (Ga,Mn)As.
Es wurde ein einfaches Model entwickelt, welches das Tunneln von Elektronen zwischen zwei
unterschiedlich warmen Bereichen erklärt. Die Abhängigkeit des Effekts von der Temperatur des Heizkanals wurde anhand dieses Models sowohl qualitativ als auch größenordnungsmäßig korrekt beschrieben.
Die Nernst-Proben wurden von der Theorie bis zur Herstellung so entwickelt, dass in derselben
Anordnung eine im (Ga,Mn)As senkrecht zum Temperaturgradienten gerichtete Spannung
zusätzlich gemessen werden konnte. Diese wurde durch den Nernst-Effekt erklärt. Besonders interessant war, dass die Größe der Nernst-Spannung hierbei mit der Magnetisierung im (Ga,Mn)As verknüpft ist und somit ein aus der typischen Magnetisierungsumkehr hervorgehendes Verhalten zeigt.
Gegenüber den Magnetowiderstandseffekten entsteht beim Nernst-Effekt in sogenannten Fingerprints (vgl. Kapitel 1.3.3) ein dreistufiges Farbmuster anstelle eines zweistufigen hoch-tief-Systems. Die entstehende Temperatur im Heizkanal wird jeweils durch eine longitudinale Widerstandsmessung in einem senkrecht zum Kanal gerichteten äußeren Magnetfeld bestimmt. Die Magnetfeldabhängigkeit des Widerstands kommt hierbei durch den Effekt der schwachen Lokalisierung in dünnen Filmen zustande.
Zusammenfassend stellen die Magneto-Thermoelektrizitätseffekte eine wichtige weitere Transporteigenschaft in ferromagnetischen Halbleitern dar, die mit der Magnetisierung direkt zusammenhängen.
In dieser Arbeit wurden Thermospannungen an (Ga,Mn)As-Schichten mit vergleichsweise hoher
Mangankonzentration untersucht. Allerdings sind die Thermoelektrizitätseigenschaften zusammen mit Magneto-Widerstandsmessungen in Zukunft in der Lage, zusätzliche Informationen über die Bandstruktur sowie die Ladungsträgereigenschaften in Materialsystemen mit niedrigerem Mangangehalt, insbesondere in der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs, zu liefern.
Inhalt des Anhangs ist eine ausführliche Anleitung zur Optimierung der Probenherstellung bzw.
der verschiedenen Bauelemente.
N2  - It is impossible to imagine our world without electronic devices which are getting smaller. The current ICs are, for example, from more than a billion transistors, each one smaller than 100 nm. It is undisputed that this trend following Moore’s law will continue. The interesting question in semiconductor- and nanostructure technology is: Is miniaturization of transistors with the current base achievable or is a new way needed?
With the continued miniaturization, the biggest challenge is to reduce the current used in These components in order to control the overheating in chips and to save energy. Today’s electronics have their origins in the 1960s. They, however, have reached their limitations with respect to efficiency and heat development. A main reason for problematic heat development are the electrical connections which transfer the information between semiconductor-based data processing und the metallic storage elements.
For a long time the charge of an electron was used for the processing of electrical Information and states. What would happen if we changed this approach? The spin of an electron is a much more effective information carrier than the electron’s charge. This is due to the fact that the change of the spin of an electron needs much less energy than its movement (...)
KW  - Spintronik
KW  - Fabrication
KW  - Herstellung
KW  - Galliumarsenid
KW  - Manganarsenide
KW  - Seebeck-Effekt
KW  - Spintronic
KW  - Caloritronic
KW  - VMH
KW  - Nanostructures
KW  - DMS
KW  - Nernst-Effekt
KW  - (Ga,Mn)As
KW  - Kaloritronik
KW  - Nanostruktur
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103241
ER  -