Nichtlinearer Transport in Halbleiternanostrukturen mit gebrochener Symmetrie

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden elektrische Transporteigenschaften von Halbleiternanostrukturen mit lateral gebrochener Inversionssymmetrie untersucht. Dabei werden zweidimensionale Elektronensysteme (2DESs) an einer Grenzfläche innerhalb einer Heterostruktur (Al_x_Ga_1-x_As- bzw. In_x_Al_y_Ga_1-x-y_As-basiert) als Ausgangsmaterial für zwei Typen von mesoskopischen Systemen (kleinste laterale Strukturgrößen: ca. 100 nm) genutzt. Aufgrund der gebrochenen Symmetrie zeigen beide vorgestellten Systeme ein nichtlineares, elektrisch gleichrichtendes Verhalten. Dies impliziert, dass sie auf ein äußeres elektrisches Wechselfeld mit verschwindendem zeitlichen Mittelwert, mit einem nichtverschwindenden Netto-Gleichstrom antworten.
Der vorgestellte sog. ‚Interdigitated Gate Field Effect Transistor (IDGFET)‘ erinnert dabei stark an in der Literatur beschriebene Elektronenpumpen bzw. elektronische Ratschensysteme. Den aktiven Bereich des IDGFET bildet ein 60 µm breiter Streifen eines 2DESs, der von zwei nicht zentrosymmetrisch ineinander greifenden, elektrisch unabhängig adressierbaren Sätzen von metallischen Steuerelektroden teilweise überdeckt wird. Bei Beaufschlagung der Steuerelektroden mit zwei identischen, jedoch um φ phasenverschobenen, periodischen Spannungssignalen U_i_(t), wird ein lateraler Netto-Gleichstrom, der sog. Pumpstrom I, im 2DES erzeugt. Dessen Betrag ist maximal für einen orthogonalen Phasenversatz und verschwindet für eine parallele bzw. antiparallele Phasenrelation. Mittels eines einfachen hydrodynamischen Modells und unter Einbeziehung der endlichen RC-Konstante des Systems können sowohl Amplituden-, Frequenz- und Phasenabhängigkeit als auch die Abhängigkeit von I(φ) von der Form des Eingangssignals U(t) vorhergesagt werden. Dabei ist auffällig, dass die Ausgangswellenform I(φ) stark der Eingangswellenform U(t) ähnelt. Aufgrund dieser Eigenschaft könnte das Bauelement zukünftig zur Digitalisierung hochfrequenter Signale genutzt werden.
Bei der sog. ‚In-Plane Gate Diode (IPGD)‘ handelt es sich ebenfalls um ein Bauelement mit gebrochener lateraler Symmetrie. Es lässt sich mittels eines einzigen Lithographieschritts definieren und weist eine sehr geringe Baugröße auf. Hierbei wird ein System aus in das Halbleitermaterial geätzten Gräben dazu verwendet, einen u-förmigen 2DES-Kanal mit gebrochener Symmetrie zu definieren. Dabei wirken die beiden ‚Schenkel‘ der u-förmigen Mesa gleichzeitig als Kanal und als planare Steuerelektrode (engl. ‚in-plane gate‘). Unter Anwendung des sog. Selbststeuerungsprinzips ergibt sich eine stark nichtlineare und asymmetrische Eingangskennlinie des Bauelements, die der einer konventionellen pn-Diode ähnelt. Mittels einer zusätzlichen, planaren Steuerelektrode kann die Schwellspannung der Diode über weite Bereiche nahezu beliebig eingestellt werden. Aufgrund des unipolaren Charakters des Bauelements sind im Vergleich zu konventionellen (bipolaren) Dioden die Leckströme in Sperrrichtung deutlich reduziert. Wie gezeigt wird, kann das Verhalten des Bauelements sowohl mittels einer Finite-Elemente-Simulation als auch mit Hilfe einer Simulation auf Systemebene beschrieben werden. Aufgrund der äußerst kleinen intrinsischen Kapazitäten könnte das Bauelement für extrem hohe Schaltfrequenzen optimiert werden. Das Bauelement ließe sich zukünftig in Gleichrichtern und Logik- sowie Hochfrequenzschaltungen einsetzen.
Wie gezeigt wird, könnten somit zukünftig mesoskopische Halbleiterbauelemente mit lateral gebrochener Symmetrie, wie der IDGFET oder die IPGD, aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften, Einzug in die Mikroelektronik finden.