Freitragende Brücke quasi ein Nebenprodukt

Da der Polymerfilm den Si- und SiGe-Ätzlösungen nicht standhielt, wählten wir einen schrittweisen Prozess der Strukturübertragung. Dazu wurde die Si-Deckschicht des Schichtstapels zunächst durch Aufheizen in einer reinen Sauerstoff-Atmosphäre mit einem SiO₂ Film von 1 nm Dicke überzogen. In Ätzlösungen, die jeweils nur ein Material stark angreifen, wurden der SiO 2 Film strukturiert und Nano-Gräben in der Si-Schicht geätzt (Abb. 5, links). Während des Weiterätzens mit einer Si-Gespezifischen Lösung wird das Si unterätzt und bildet einen freitragenden Überstand (Abb. 5, rechts).

Erstaunlich sind nicht nur die geringen Abmessungen -die Dicke entspricht dem 50fachen Abstand zwischen benachbarten Atomen - sondern auch die mechanische Stabilität. Nach dem Unterätzen des Si-Stegs wurde die Probe unter einem Strahl von (Reinst)-Wasser gespült und im Stickstoffstrom aus einer Druckpistole trockengeblasen.

Ein unkonventionelles Verfahren der Nanolithographie beruht auf der Verwendung eines Rasterkraftmikroskops (RKM). So wie das REM ist auch das RKM für das Abbilden von Oberflächendetails entwickelt worden. Die Probenoberfläche wird zeilenweise durch eine feine Spitze mit etwa 10 nm Durchmesser abgetastet, die an der Unterseite eines federnden Stabes angebracht ist. Abstoßende Kräfte zwischen Spitze und Unterlage führen zu einer Verbiegung des Stabes, die optisch erfasst wird und die Höheninformation der Oberfläche enthält. Wenn der Federstab zusätzlich in Schwingungen versetzt wird und die Spitze dabei periodisch auf die Unterlage tippt, werden die Kräfte stark reduziert, sodass sich sogar weiche Materialien (z.B. lebende Zellen) zerstörungsfrei abbilden lassen.
Durch drastische Erhöhung der Vibrationsstärke verwandelt sich das zart fühlende Abtastinstrument in einen ,,dynamischen" Pflug, mit dem sich entlang der Bewegungslinie der Spitze in eine plastisch deformierbare Oberfläche eine Furche ziehen lässt (Abb. 6).

Vom zarten Abtasten zum dynamischen Pflügen

In dieser Weise durchpflügten wir mit der RKM-Spitze einen diesmal nur 5 nm dünnen Polymerfilm und legten so die Halbleiteroberfläche für einen nachfolgenden Ätzangriff frei. Durch eine präzise Steuerung der Bewegung über die Oberfläche entlang zuvor festgelegter Linienmuster und einer dabei ortsabhängig umgeschalteten Vibrationsstärke können beliebige Linienmuster geschrieben werden. Mit vielen parallelen Linien in engem Abstand lässt sich beim Ätzvorgang sogar ein flächenhafter Abtrag annähern.

Prinzipiell lassen sich im anschließenden Ätzprozess noch feinere Strukturen erzeugen als mit der Elektronenstrahllithographie. Die Anwendung der Methode wird eingeschränkt durch die hohen Anforderungen an die Ebenheit der Probenoberfläche. Si/SiGe-Schichten sind viel zu wellig, hier lässt sich kein gleichmäßig dünner Polymerfilm erzielen. Anders bei der Lithographie mit dem Elektronenstrahl, dieser kann viel dickere Polymerfilme durchdringen als die RKM-Spitze. Das elektronisch wichtige GaAs/(Al,Ga)As Schichtsystem ist auf der Oberfläche nahezu atomar eben und kann daher ideal mit der RKM-Lithographie bearbeitet werden (Abb. 6).

Zur Untersuchung elektronischer Eigenschaften von Nanostrukturen in Hinblick auf Quanteneffekte geht man von einem Halbleitermaterial aus, in dem sich die Ladungsträger möglichst ungehindert bewegen können. Besonders hohe Kristallqualität wird in Schichtstapeln aus verschiedenen Materialien erzielt, die unter besonders reinen Prozessbedingungen abgeschieden werden. An der Grenzfläche zwischen GaAs und dem Mischkristall (Al,Ga)As oder zwischen einem Si-Film und dem umgebenden SiGe (Abb. 7) entsteht ein Potentialsprung, da die Minimalenergie für freibewegliche Elektronen in den Materialien verschieden ist.

Freie Elektronen fallen in den "Potentialtopf"

An der Stelle der geringsten Energie sammeln sich die in der Struktur vorhandenen freien Elektronen. Diese werden von Fremdatomen mit einem überzähligen Valenzelektron (Donatoren) geliefert, die zu diesem Zweck auf Gitterplätzen "fest eingebaut" werden. Im vierwertigen Si und SiGe ist das fünfwertige Sb geeignet, im GaAs und (Al,Ga)As ersetzt Si die dreiwertigen Atome des Al oder Ga. Da die Donatoren nach Abgabe eines Elektrons positiv geladen sind, stören sie in ihrer unmittelbaren Umgebung die Bewegung der negativ geladenen Elektronen gewaltig. Daher werden sie in das Barrierenmaterial (SiGe in Abb. 7) eingebaut. Die abgegebenen Elektronen bilden in einiger Entfernung von dieser positiven Donatorladung in der Si-Schicht dicht an der Grenzfläche zum SiGe (bzw. im GaAs nahe der (Al,Ga)AsBarriere) einen leitenden Film.

Bei einer Temperatur des flüssigen Heliums von 4,2 K (269 °C) werden die Schwingungen der Gitteratome um ihre Ruhelage weitgehend unterdrückt und damit mögliche Hindernisse für die Elektronen "aus dem Weg geräumt". Sie können dann im Si-Film mehrere Mikrometer "immer geradeaus" zurücklegen, bis es zum nächsten Zusammenstoß (elektrostatische Krafteinwirkung) kommt und damit zu einer abrupten Richtungsänderung des Elektrons. Im GaAs/(Al,Ga)As-Schichtsystem erreichen die Elektronen bei tiefer Temperatur sogar zehnfach längere Wegstrecken Wegstrecken als im Si.

Um den Elektronentransport zu steuern, bietet sich auch bei Nanostrukturen das bewährte Prinzip des Feldeffekt-Transistors (Abb. 8) an, besteht er doch im Wesentlichen aus dem beschriebenen Schichtsystem mit Elektronenfilm.

Die Flächendichte der Elektronen bestimmt seine Leitfähigkeit, die durch einen Metallfilm auf der Oberfläche der Schichtanordnung gesteuert werden: Wenn an diesem Steuerkontakt der Minuspol und am Elektronenfilm der Pluspol einer Spannung angelegt wird, dann werden die Elektronen im Film abgestoßen und in ein Nachbargebiet verdrängt, das nicht vom Metallfilm bedeckt ist. Wenn alle Elektronen verdrängt werden, leitet der Film nicht mehr der Transistor ist "gesperrt". Ähnliche Feldeffekt-Transistoren sind als aktives Schaltelement in vielen elektronischen Schaltungen und millionenfach in Computer Mikroprozessoren enthalten.

Aus SiGe oder (Al,Ga) As Schichten lassen sich elektronische Nanostrukturen herstellen, indem der Elektronenfilm durch geätzte Gräben zerschnitten wird. Die Grabentiefe muss dabei nicht bis in den Elektronenfilm reichen, die Tiefe der Donatorenschicht genügt, um die Elektronen unter dem Graben zu verdrängen. Durch eine unterbrochene Nut (s. Abb. 9, unten links) wird auf einer Strom führenden Fläche eine kurze Engstelle geschaffen, durch die die Elektronen hindurch müssen, wenn sie von einem Elektronen-Gebiet in das andere kommen wollen. Diese Nanostruktur wird im Zentrum des Elektronenfilms platziert, der den Kanal eines Feldeffekt-Transistors bildet, und mit der metallischen Steuerelektrode bedeckt (Abb. 9, oben).

Eine präzise Formgebung der Nanostruktur ist zwar notwendig, sie allein garantiert noch nicht den gewünschten stoßfreien Transport durch die Engstelle. Wenn während der Strukturierung in der begrenzenden Oberfläche Kristallbaufehler entstehen, können sich diese Defekte aufladen und durch ihr abstoßendes Potential die Engstelle weiträumig von Ladungsträgern frei halten, also die Stromleitung unterdrücken. Selbst wenn die Elektronen nicht verdrängt werden, können sie an einer mikroskopisch rauen seitlichen Begrenzungsfläche gestreut werden.

Welle: ungestört in Längsrichtung durch die Engstelle

Dadurch überlagern sich die entstehenden Wellen der Elektronen ungeordnet, ihr Wellencharakter wird im Experiment nicht sichtbar, und der Quanteneffekt kann nicht studiert und schon gar nicht ausgenutzt werden. Die Quanteneffekte stellen sich nur ein, wenn eine Welle ungestört, d.h. ungestreut in Längsrichtung durch die Engstelle läuft. Die beschriebenen nasschemischen Ätzverfahren zur Nanostrukturierung liefern optimale Bedingungen für einen stoßfreien Elektronentransport.

Die Qualität des Stromtransports durch die Engstellen wird durch die Leitfähigkeit (Leitwert) als Funktion der Spannung an der Steuerelektrode charakterisiert (s. Abb. 10).

Bei tiefer Temperatur (T = 4,2 K) zeigen diese Kennlinien sowohl in Si als auch in GaAs-Strukturen das gleiche Grundschema: Anders als bei Transistoren ohne Engstelle verläuft die Kurve nicht mehr glatt, sondern zeigt eine Welligkeit, die bei besonders hoher Schichtqualität die Form von Stufen annimmt. Der Anteil von Elektronen, die es schaffen, die Engstelle stoßfrei zu durchlaufen, ist besonders hoch bei den qualitativ besseren GaAs/ (Al,Ga)As-Schichten und hier insbesondere bei kurzen Engstellen.

Die Stufenhöhe wird im Idealfall nur von Naturkonstanten bestimmt: Der Leitwert beträgt dann in den Stufenplateaus Vielfache von 2e²/h mit e als der Elementarladung und h als Planck'schem Wirkungsquantum.
Das Zustandekommen von Stufen kann durch die Wellennatur der Ladungsträger gedeutet werden. Der verfügbare Platz zwischen den geätzten Barrieren der Engstelle ist so klein, dass die Elektronen dort quer zur freien Transportrichtung eine stehende Welle bilden (s. Abb. 2). Jede weitere Stufe in Abb. 10 (rechts) ist Ausdruck einer dieser Elektronenwellen mit jeweils einem zusätzlichen Knoten. Bei erhöhter Spannung am Steuerkontakt der Transistorstruktur wird die gesamte Potentialumgebung der Engstelle abgesenkt und die Energiewerte der stehenden Welle sinken nacheinander unter die Besetzungsgrenze der Elektronenseen der Zuleitungsgebiete. Damit wird die Engstelle zur Schleuse: die Elektronen können diese passieren und gelangen so von einem Elektronensee in den anderen sofern sie nicht gestreut werden.

Je größer der Abstand zwischen den Barrieren der Engstelle ist, desto dichter folgen die Energien der stehenden Wellen aufeinander, bis sie schließlich nicht mehr aufgelöst werden können und die Stufen in einen glatten Anstieg übergehen. Die Stufen im Leitwert von kurzen und langen Engstellen sind erstaunlich temperaturstabil, erst bei über 80 K (193 °C) sind die Bedingungen für einen stoßfreien Transport nicht mehr gegeben. Das ist allerdings keine Frage der Präparationstechnik, sondern Folge der mit steigender Temperatur stärker schwingenden Atome im Kristall.

Die Herstellung qualitativ hochwertiger Halbleiter-Nanostrukturen verbunden mit dem Nachweis der Elektronen-Wellenleitung ist ein wichtiger Meilenstein auf der Suche nach verwertbaren Quanteneffekten für neuartige Bauelemente der Nanoelektronik. Diese Suche ist gerade für unseren wissenschaftlichen Nachwuchs bei der Vorbereitung ihrer Diplom- und Doktorarbeiten ein ideales Betätigungsfeld, das neben spannenden Experimenten mit faszinierenden Effekten auch einen tiefen Einblick in zukunftsweisende Halbleiter-Nanotechnologien bietet. Die Nanoelektronik leistet bereits heute einen wichtigen Beitrag für den Einstieg in die Post-Mikroelektronik-Ära, auch wenn wir noch nicht wissen, wann und mit welchen Konzepten diese einsetzen wird.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kunze; Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik