Eindimensionale Ladungsträgersysteme in Nanodraht-basierten Halbleiterheterostrukturen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Gregor Koblmüller; Professor Dr. Hubert Johannes Krenner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323412876

Im Zentrum dieses Projekts steht die Realisierung von eindimensionalen Ladungsträgersystemen in Halbleiternanodrähten und deren Charakterisierung hinsichtlich ihrer strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften. Im Zentrum stehen Kern-Schale Nanodrähte, die im technologisch relevanten und optisch aktiven GaAs-basierten Materialsystem mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Obwohl Nanodrähte ein inhärent eindimensionales Templat darstellen, erweist sich die Herstellung von eindimensionalen Ladungsträgersystemen mit quantisiertem Energiespektrum als außerordentlich anspruchsvoll. Des Weiteren bilden mechanische Verspannungen in planaren Heterostrukturen die Basis einer Vielzahl von Bauelementen. Dieses fundamentale Konzept wurde bis dato nur mit wenigen Ausnahmen auf Nanodrähte übertragen. Deren eindimensionale Geometrie erlaubt es effizient Verspannungen zu relaxieren und verlangt daher fundamental neue Ansätze zur Erzeugung maßgeschneiderter Verspannungen.In diesem Projekt werden mit (i) ultradünnen, Durchmesser-kontrollierten Nanodrähten und (ii) einer radialen Multischalen-Architektur zwei komplementäre Ansätze zur Realisierung solcher Quantendrähte verfolgt. Auf der einen Seite werden diese Nanodrähte hinsichtlich ihrer strukturellen (Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung, Verspannung) Eigenschaften untersucht und die durch die Beschränkung der Ladungsträgerbewegung in ein oder zwei Raumrichtungen resultierenden Quantisierungsenergien werden in optischen Experimenten bestimmt. Auf der anderen Seite werden die dynamischen elektrischen Transporteigenschaften mittels Kontakt-freier, kombinierter akustischer und optischer Spektroskopie präzise untersucht. Hierbei werden die durch die piezoelektrischen Felder einer akustischen Oberflächenwelle getriebenen Ladungsträgerdynamiken mit hoher Orts- und Zeitauflösung detektiert und mit numerischen Simulationen vergleichen. Diese Methode erlaubt es die zu Grunde liegenden Ladungsträgermobilitäten zu bestimmen. Da sämtliche Ladungsträgersysteme des Nanodrahts charakteristische optische Übergangsenergie aufweisen ist es möglich, diese, im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Methoden, selektiv und im nativen, Material-limitierten Limes niedrigster Ladungsträgerdichten zu untersuchen. Die Ergebnisse sämtlicher komplementärer Untersuchungsmethoden erlauben erstmals eine direkte Korrelation von strukturellen (Größenfluktuationen, Mischen verschiedener Kristallphasen, Legierungszusammensetzung, Verspannung) und optischen Eigenschaften mit den elektrischen Transportcharakteristika.Diese Erkenntnisse bilden die entscheidende Basis für die Entwicklung und Optimierung von neuartigen, Nanodraht-basierten Bauelementen. Insbesondere wird statisch, epitaktisch aufgeprägte Verspannung zur Erzeugung eines Leichtloch-artigen Grundzustands verwendet. Die aus einer Erhöhung der Mobilität resultierenden verbesserten elektrischen Transporteigenschaften werden spektroskopisch nachgewiesen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, USA
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Markus Döblinger; Professor Lincoln Lauhon, Ph.D.; Professor Dr. Julian Stangl