B e s c h r e i b u n g Halbleiter- Struktur
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Struktur.
In der Halbleiter-Elektronik werden Bauelemente mit immer kürzeren Schaltzeiten und geringerem Leistungsbe- darf gewünscht . Der Weg dahin führt über Mikrostruktu- ren aus Halbleitermaterialien mit möglichst kurzen Wegen für die Elektronen zwischen Injektions- und Extraktionspunkt (Kanallängen) und hohen Beweglichkeiten, das heißt mit guter Response auf äußere elektrische Felder.
Im Labor werden Standardwerte für sogenannte High
Electron Mobility Transistoren (HEMT) bei Kanallängen < 1 μm mit Beweglichkeiten μe > 106cm2 / V*s und Schaltzeiten < 10 ps erreicht. In einem HEMT werden mehrere gut definierte Schichten aus verschiedenen Halbleiter- materialien, z. B. aus GaAs und AlGaAs mit Dicken im
Bereich von Nanometern, das heißt bis hinunter zu einigen Atomlagen, und definiert dotiert mit verschiedenen elektrisch aktiven Fremdatomen hergestellt. Diese Schichten sind in der Ebene lateral auf Bruchteile von μm strukturiert .
Im HEMT ist das Prinzip der Modulationsdotierung für zwei-dimensionale Halbleiterheterostrukturen genutzt. Dabei wird durch eine einseitig planar epitaktisch aufgewachsene Halbleiterheterostruktur eine räumliche Trennung von dotiertem Halbleitermaterial und dem undotierten Halbleitermaterial des Transistorkanals, in dem
sich an der Grenzfläche ein steuerbares zweidimensiona- les Ladungsträgergas, z. B. in Form eines Leitungsband- Elektronengases ausbildet, erzielt. Durch die Trennung von Kanal und Dotierstörstellen wird eine stark erhöhte Beweglichkeit des Ladungsträgergases ermöglicht.
Im HEMT stellt sich in einer Schicht mit einer kleinen Bandlücke an der Grenzfläche zu einer zweiten Schicht mit einer großen Bandlücke eine hohe Konzentration von Ladungsträgern ein, die parallel zur Grenzfläche eine hohe Beweglichkeit haben, während sie in der dritten Dimension auf einen Bereich von z. B. 10 Nanometer an der Grenzfläche eingeschränkt bleiben.
Ein Quantentopf ist eine Struktur, die für die Kristallelektronen in eine Raumrichtung als Potentialtopf mit einer Ausdehnung vergleichbar der de-Broglie-
Wellenlänge wirkt. Bei den meisten Halbleitern ist dies bei Abmessungen von einigen 10 Nanometern oder weniger erfüllt. Es bildet sich ein sogenanntes, quasi zweidi- mensionales Elektronengas aus. Die Ladungsträger blei- ben in x- und in y-Richtung frei beweglich, entlang der z-Achse sind die Energieeigenwerte quantisiert.
Die hohen Anforderungen an die Perfektion derartiger Schichten und Bereiche in Nanostrukturen können durch Hetero-Epitaxie, z. B. in einer Molekularstrahl- Epitaxie-Anlage, erfüllt werden. Mit solchen Verfahren werden die Strukturen zur Ausbildung eines zweidimensi- onalen Elektronengases hergestellt.
Wenn die Abmessungen der Leiterbahnen in die Größenordnung der Fermiwellen kommen, werden die möglichen Elektronenbahnen eingeschränkt . Dann bekommt die Quantenmechanik wegen des Wellencharakters der Elektronen einen wesentlichen Einfluss auf die stationären Zustände und auf den Transport der Elektronen.
Wird die Dimension eines zweidimensionalen Elektronengases durch laterale Strukturierung weiter eingeschränkt, werden eindimensionale oder sogar null- dimensionale, das heißt in jeder Raumrichtung eingeschränkte Systeme, sogenannte Quantendots, realisiert.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Strukturen bekannt, in denen die freien Elektronen oder Löcher in bestimmten Raumrichtungen auf Na- nometerbereiche eingeschränkt sind.
Derartige Bauelemente, die auf ein- oder nulldimensi- onalen Halbleiterstrukturen basieren, sind aufgrund quantenmechanischer Effekte vielversprechende Systeme für verbesserte Transistor- und Dioden-Bauelemente und neuartige Quanten-Nano-Bauelemente . Die Dimensionsreduktion in zwei bzw. drei Raumrichtungen zu, in Bezug auf die Ladungsträger-Beweglichkeit, ein- bzw. nulldi- mensionalen Strukturen, basiert auf der Quantisierung der eingeschränkten Freiheitsgrade der freien Ladungs- träger. Dazu muss die de-Broglie-Wellenlänge des Ladungsträgers, also des Kristall-Elektrons oder des Kristall-Lochs von der Größenordnung der Abmessungen der eingeschränkten Raumrichtungen sein.
Aus Björk et al . (Björk, M.T., Ohlsson, B.J., Sass, T., Persson, A.I., Thelander, C, Magnusson, M.H., Deppert, K. , Wallenberg, L.R., Samuelson, L. (2002), One- dimensional heterostructures in semiconductor nanowhiskers. Applied Physics Letters 80, 1058) ist epitaktisches und teilweise selbstorganisiertes Wachstum von eindimensionalen Halbleiterheterostrukturen, sogenannten Whiskern, bekannt.
Aus Panev et al . (Panev, N. , Persson, A.I., Sköld, N. , L. Samueleson (2003), Sharp exciton emission from Single InAs Quantum dots in GaAs nanowires . Applied Physics Letters 83, 2238) ist bekannt, Ladungsträger aus einem GaAs-Substrat in eine InAs-Insel über einen nano- wire aus GaAs zu transportieren und Lumineszenz zu er- zeugen.
Nachteilig zeigen diese Strukturen eine schlecht steuerbare Ladungsträger-Konzentrationen im Quantendot .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Halbleiter-Struktur bereit zu stellen, mit der eine ho- he Konzentration freier Ladungsträger eingestellt und deren räumlicher Verlauf in einem null- oder eindimensionalen Quantentopf gezielt gesteuert werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Halbleiter-Struktur gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen er- geben sich aus den darauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Erfindungsgemäß weist die Halbleiter-Struktur mindestens einen ersten Materialbereich und einen zweiten Materialbereich auf. Der zweite Materialbereich umschließt den ersten MaterialLbereich und ist epitaktisch auf dem ersten Materialbereich angeordnet . In der Halbleiter-Struktur liegt Fermi-Level-Pinning an der, der Grenzfläche beider Materialbereiche gegenüberliegenden, nicht epitaktischen Außenfläche vor, wodurch der erste Materialbereich einen Quantentopf für freie Ladungsträ- ger ausbildet.
Vorteilhaft ist der Quantentopf durch Fermi-Level- Pinning nicht gestört.
Der erste Materialbereich bildet einen Quantentopf für freie Ladungsträger aus, so dass diese quantenmecha- nisch null- oder eindimensional in ihrer Freiheit eingeschränkt sind, bzw. die Zustände für Ladungsträger liegen 0-d oder 1-d vor.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im Quantentopf des ersten innen angeordneten Materialbereichs eine ho- he Konzentration und Beweglichkeit an Ladungsträgern vorliegt, ohne dass dieser Materialbereich hoch dotiert sein muss. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist besonders vorteilhaft eindimensionaler Ladungsträger- Transport im ersten Materialbereich bzw. Quantentopf gezielt einstellbar, was zu-tr Herstellung von Transistoren mit hoher Ladungsträger-Beweglichkeit genutzt werden kann.
Neben eindimensionalen Quantenstrukturen, wie Whiskern und lithographisch hergestellten Mesastrukturen, sind
besonders vorteilhaft auch Inseln ohne Fermi-Level- Pinning an der Grenzfläche des Quantentopfes herstellbar. Die Whisker können mit weiteren HeteroStrukturen ausgebildet werden, z. B. mit GaAs / AlGaAs- oder GaN / AlGaN-Bereichen als verarmte Strukturen.
Damit ist vorteilhaft gewährleistet, dass die positiven Eigenschaften dieser Halbleiter-Strukturen auch in räumlich übergeordneten Strukturen bis hin zu Lasern und Transistoren ausgenutzt werden.
Das energetische Minimum des Quantentopfs des ersten Materialbereichs liegt entweder unterhalb der Fermi- Energie im Gleichgewicht oder aber weist einen Abstand kleiner gleich kBT zur Fermi-Energie auf. Dann ist vorteilhaft gewährleistet, dass genügend Ladungsträger im Quantentopf sind und für Transistoren, Dioden und so weiter genutzt werden können.
Die Abmessung bzw. der Durchmesser des ersten Material- bereichs sind so klein, dass die Ladungsträgerbeweglichkeit in mindestens zwei Raumrichtungen quantenme- chanisch eingeschränkt ist.
Der erste Materialbereich ist so zum zweiten Materialbereich angeordnet, bzw. ist von diesem so umwachsen, dass das unerwünschte Fermi-Level-Pinning von der Grenzfläche der beiden Materialbereiche, zu der dieser Grenzfläche gegenüberliegenden, nicht epitaktischen Außenfläche, des zweiten Materialbereichs verschoben ist. Das Fermi-Level-Pinning tritt dann an der nicht epitaktischen Außenfläche des zweiten Materialbereichs zu gegebenenfalls weiteren Materialbereichen auf. Sind wei-
tere epitaktische Grenzflächen am zweiten Materialbereich angeordnet, so tritt Fermi-Level-Pinning an der ersten nicht epitaktischen Außenfläche auf.
In der Halbleiter-Struktur soll der kürzeste Abstand des Quantentopfes vom Mittelpunkt aus zur nicht epitaktischen Außenfläche, an der das Fermi-Level-Pinning vorliegt, dabei größenordnungsmäßig die Verarmungslänge d nicht unterschreiten. Eine Definition der Verarmungs- länge kann Lüth (Lüth H (1996) . Surfaces and interfaces of solid materials. 3rd edition, Springer Study Edition, Seite 458) entnommen werden. Die Verarmungslänge ist eine dotierungsabhängige Matexialgröße . Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass die Konzentration freier Ladungsträger und ihres räumlichen Verlaufes in derartigen ein- und nulldimensionalen Halbleiter- Strukturen mit Hilfe einer lateralen epitaktischen Umwachsung gegebenenfalls mit Dotierung und/oder Grenzflächen-Polarisationsladungen eingestellt und gesteuert werden kann. Aus Dotieratomen des zweiten Materialbe- reichs können Ladungsträger in den ersten Materialbereich gelangen. Ein oder mehrere optionale äußere Gates können die Ladungsträger-Konzentration im ersten Materialbereich steuern, ohne dass das unerwünschte Fermi- Level-Pinning an der Grenzfläche des ersten zum zweiten Materialbereich diese beeinflusst .
Die nicht epitaktischen Grenz- oder Außenflächen der Halbleiter-Struktur zeigen Fermi-Level-Pinning aufgrund von Grenzflächenzuständen. Je nach, energetischer Position des Fermi-Level-Pinnings der Struktur, ergeben sich zwei Fälle: Die Verarmung oder die Anreicherung
freier Ladungsträger im Halbleiter nahe der Grenzfläche. Dieser Umstand wird im Rahmen der Erfindung für die Ladungsträger-Konzentration im Quantentopf genutzt. Das gemäß Stand der Technik an der Grenzfläche zwischen zwei Materialbereichen vorhandene Fermi-Level-Pinning wird auf Grund geeigneter Wahl der Materialien oder der Abmessungen und/oder gegebenenfalls der Dotierung der beiden Materialbereiche an die erste nicht epitaktisch ausgebildete Grenzfläche eines äußeren Materialbereichs verschoben und hat somit keinen oder zumindest weniger Einfluss auf die Ladungsträger-Konzentration und Beweglichkeit im Quantentopf des ersten Materialbereichs. Dies wird zur Steuerung der Ladungsträger-Konzentration in dem Quantentopf mittels Elektroden genutzt.
Für die Klasse der grenzflächenverarmten Halbleiter mit GaAs, InP, oder GaN als Materialien für den ersten Materialbereich ist die Konzentration freier Ladungsträger in daraus hergestellten Bauelementen, insbesondere mit Durchmessern in der Größenordnung der Verarmungs- länge und kleiner, verschwindend gering und praktisch nicht beeinflussbar durch externe Größen, wie z. B. Elektroden. Auch zu hohe Dotierungen können auf Grund des negativen Einflusses auf die Ladungsträger-Beweglichkeit und auf die Steuerung nicht verwendet werden. Eine solche verarmte Struktur ist für elektronische Bauelemente unbrauchbar.
Es wurde weiterhin erkannt, dass für die Klasse der grenzflächenangereicherten Halbleiter mit z. B. InAs, InSb, und anderen sogenannten narrow-gap Materialien für den ersten Materialbereich die Konzentration freier Ladungsträger räumlich nahe der Grenz:fläche zwischen
erstem und zweiten Materialbereich praktisch unveränderlich ist und eine Materialgröße darstellt. Die freien Ladungsträger liefern metallähnliche Eigenschaften, insbesondere elektronische Transporteigenschaften und optische Response. Sie sind praktisch nicht beeinflussbar durch Dotierung und/oder externe Größen, wie z. B. Elektroden. In Bauelementen aus grenzflächenangereicherten Materialien, insbesondere mit Abmessungen in der Größenordnung der Anreicherungslänge, werden die elektronischen Eigenschaften praktisch durch die freien Ladungsträger nahe der Grenzfläche dominiert und sind somit unveränderbar. Eine solche Struktur ist für elektronische Transistor-Bauelemente mit Steuerelektroden ebenfalls unbrauchbar.
Die gegebenenfalls dotierten Materialien und/oder die Dicke der beiden Materialbereiche in der Halbleiter- Struktur werden erfindungsgemäß zur Ausbildung eines gezielt mit Ladungsträgern versorgten ersten Material- bereichs so ausgewählt, dass das Fermi-Level-Pinning von der Grenzfläche an die der Grenzfläche gegenüberliegenden, nicht epitaktischen Grenzfläche des zweiten Materialbereichs verschoben ist. Gegebenenfalls ist mindestens ein weiterer epitaktisch oder nicht epitaktisch angeordneter Materialbereich auf dem zweiten Ma- terialbereich angeordnet .
In dem Fall, dass dieser weitere Materialbereich epitaktisch auf dem zweiten Materialbereich angeordnet ist, bildet er vorteilhaft einen beständigen Abschluss der Halbleiter-Struktur, bevor weitere Schichten z. B. mit Gate-Funktion angeordnet werden.
Das Material des weiteren Materialbereichs kann zwecks Passivierung der Halbleiter-Struktur identisch zum Material des ersten Materialbereichs sein.
Die Halbleiter-Struktur kann auch ein Metall als Mate- rial für den weiteren Materialbereich umfassen.
Der erste Materialbereich weist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Abmessung bzw. einen Durchmesser von kleiner 100 Nanometern, insbesondere eine von 0,5 bis 50 Nanometern, auf. Eine Halbleiter-Struktur mit derartigen Abmessungen des ersten Materialbereichs ist gemäß Stand der Technik besonders anfällig gegenüber Fermi-Level-Pinning und kann hier erstmalig mit hoher Ladungsträger-Konzentration bereit gestellt werden.
Als eine besonders vorteilhafte Halbleiter-Struktur ist GaAs als Material für den ersten Materialbereich und/oder AlGaAs als Material für den zweiten Material- bereich vorgesehen. Diese Materialien sind wegen der quasi-Gitteranpassung epitaktisch gut miteinander in Verbindung zu bringen und dann praktisch versetzungsfrei zueinander angeordnet. Ohne Einschränkung der Erfindung können aber andere Halbleiter-Strukturen mit derartig gitterangepassten Materialbereichen verwendet werden.
Der zweite Materialbereich kann durch Dotierung ein beliebiges auch inhomogenes Dotierprofil aufweisen. Es ist aber auch möglich Polarisationsladungen an der Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Materialbereich zur Optimierung des Ladungsträgerprofils im
Quantentopf zu nutzen. Die Polarisationsladungen werden abhängig von der kristallographischen Ausrichtung der Grenzflächenbereiche in Beziehung zu den Achsen des Gesamtkristalls genutzt, so dass Dotierungen im zweiten Materialbereich auch vermieden werden können.
Der zweite Materialbereich kann mehrere, schellenartig und epitaktisch zueinander angeordnete Flächen aufweisen. Der zweite Materialbereich kann z. B. von der Grenzfläche zum ersten Materialbereich aus GaAs ausge- hend, aus einer Abfolge von 20 Nanometer dicken Bereichen aus Al0/3Ga0,As, AlAs und Al0/5iGa0,49As bestehen. Ein dünner, undotierter oder niedrig dotierter Spacer schließt den zweiten Materialbereich nach außen ab. Der Spacer verringert die Streuung von Ladungsträgern in- nerhalb des ersten Materialbereichs. Der erste Materialbereich aus GaAs wird von dieser Abfolge umschlossen. Der erste Materialbereich kann hingegen in Längsrichtung, also senkrecht zum zweiten Materialbereich Hete- rostrukturen aufweisen.
Der erste und der zweite Materialbereich können somit beliebig durch gesondert abgreifbare HeteroStrukturen unterbrochen sein. Dadurch sind z. B. resonante Tunnel- dioden herstellbar.
Der erste Materialbereich der Halbleiter- Struktur soll bei geringer lateraler Ausdehnung von beispielsweise weniger als 50 Nanometern eine Ladungsträger-Konzentration von mindestens 1010 cm"3, insbesondere eine Ladungsträger-Konzentration von mindestens 1016 cm"3 aufweisen. Es können ein oder mehrere Gates zur Steuerung der Ladungsträger-Konzentration angeordnet sein.
Im weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt des elektronischen Bän- derschemas für eine Halbleiter-Struktur gemäß Stand der Technik. Die Leitungsbandkante (E) für Elektronen ist als Funktion der radialen Position x innerhalb einer großen und daher nur partiell verarmten Struktur wiedergegeben. Der Fall der Valenzbandkante für Löcher ist analog. Diese Bandkante ist Potential für Ladungsträger.
Der Abstand a sei gemäß Stand der Technik groß und gibt die Abmessung eines ersten Materialbereichs 1 an, auf dem nicht epitaktisch ein zweiter Materialbereich 3 (nicht dargestellt), z. B. ein Metall, Gas oder Kunststoff oder sonstiger Isolator oder Halbleiter angeordnet ist. Der Abstand d ist die Verarmungslänge ausgehend vom Fermi-Level-Pinning der Grenzfläche 2 des betrachteten Halbleiters. Bei partiell verarmter Struktur ist d << a und daher relativ unschädlich für den Ladungsträgertransport in der Grenzfläche 2 zwischen beiden Materialbereichen. Die verarmten Bereiche des Materialbereichs 1 weisen aufgrund d << a nur einen kleinen Anteil an der Gesamtstruktur auf. An der nicht epitak- tischen Grenzfläche tritt aufgrund von Grenzflächenzu- ständen das Fermi-Level-Pinning mit einer energetischen Größe gemäß des Pfeils 5 auf.
Die Fermienergie (=Fermi-Level) im Gleichgewicht ist durch die Punkt-Strich-Linie 4 dargestellt. Der energe-
tische Wert des Fermi-Level-Pinnings, ist gemäß Pfeil 5 ein fixierter, energetischer Abstand von der Leitungsbandkante an der Stelle der Grenzfläche 2 aufgrund von Grenzflächenzuständen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Leitungsbandkante E für
Elektronen in einer Halbleiter-Struktur als Funktion der radialen Position x. Hier ist die Abmessung von Materialbereich 1 im Vergleich zu der Halbleiter-Struktur der Fig. 1 sehr klein gewählt und Materialbereich 1 ist daher komplett verarmt. Der Fall der Valenzbandkante für Löcher ist analog. Diese Bandkante ist Potential für Ladungsträger.
Der Abstand a stellt erneut die räumlichen Abmessungen von Materialbereich 1 dar (z. B. 20 Nanometer) . Auf Ma- terialbereich 1 ist der Materialbereich 3 (nicht dargestellt) nicht epitaktisch angeordnet. Der Materialbereich 3 besteht z. B. aus einem Metall oder einem Gas, Kunststoff oder sonstigem Isolator oder Halbleiter.
Der Abstand d stellt wiederum die Verarmungslänge dar. In diesem Fall ist die Verarmungslänge d größer als die Abmessungen a des Materialbereichs 1. Das Potentialminimum des ausgebildeten Quantentopfes ist durch Pfeil 6 dargestellt. Das Potentialminimum liegt aufgrund d > a energetisch weit oberhalb zu kBT (T=Temperatur, kBT=Boltzmann-Konstante) der Fermienergie im Gleichgewicht, dargestellt durch die Punkt-Strich-Linie 4. Die Grenzfläche 2 zwischen Materialbereich 1 und Materialbereich 3 ist daher vollständig verarmt. Die Grenzfläche 2 weist aufgrund von Grenzflächenzuständen Fermi-
Level-Pinning (siehe Pfeil 5) auf. Pfeil 5 gibt das e- nergetische Niveau des Fermi-Level-Pinnings wieder. Es wird deutlich, dass ein fixierter, energetischer Abstand der Leitungsbandkante an der Stelle der Grenzflä- ehe 2 aufgrund von Grenzflächenzuständen vorliegt.
Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass für die Klasse grenzflächenverarmter Halbleiter gemäß Stand der Technik, wie z. B. GaAs, InP und GaN, frei oder auf einem Substrat, die Konzentration freier Ladungsträger in daraus hergestellten Bauelementen, insbesondere mit Abmessungen kleiner 100 Nanometern und in der Größenordnung der Verarmungslänge und kleiner, sehr gering und praktisch nicht beeinflussbar durch externe Größen, wie z.B. Elektroden ist. Die Verarmungslänge ist zwar eine dotierungsabhängige Materialgröße. Allerdings kann bei derartigen Abmessungen auch mit hoher Dotierung in GaAs als Material für die erste Schicht auf Grund der dann auftretenden starken Störstellenstreuung mit schlechter Beweglichkeit der Ladungsträger kein brauchbarer Tran- sistor / Tunneldiode hergestellt werden.
Simulationen zeigen, dass trotz hoher Dotierung praktisch eine vollständig verarmte Struktur dieses Typs bestehen bleibt. Es tritt immer Fermi-Level-Pinning an der Grenzfläche 2 bei etwa 0,65 eV gegen die Leitungs- bandkante E auf, so dass die Halbleiter-Struktur aus Materialbereich 1 (30 Nanometer GaAs, n-dotiert mit 1018 cm"3) und Materialbereich 3 (Metall, Luft und so weiter) vollständig verarmt ist (T=300K) .
Fig. 3 zeigt die Leitungsbandkante (E) als Funktion der radialen Position (x) innerhalb einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Struktur. In Fig. 3 ist schematisch die Leitungsbandkante E entlang des Querschnitts einer erfin- dungsgemäßen eindimensionalen Halbleiter-Struktur dargestellt. Ein Querschnitt der Materialbereiche ist schematisch der Fig. 4 entnehmbar.
Die Halbleiter-Struktur umfasst einen ersten Materialbereich 1 mit der Abmessung a, welcher von einem zwei- ten Materialbereich 3 epitaktisch umwachsen ist. Materialbereich 1 ist eine Insel oder ein Whisker. Der Materialbereich 3 ist epitaktisch auf dem Materialbereich 1 angeordnet. Der Fall der Valenzbandkante für Löcher ist analog. Diese Bandkante ist ein Potential für La- dungsträger.
Die Materialien beider Bereiche 1, 3 werden so gewählt, dass das Material des ersten Materialbereichs 1 den Quantentopf ausbildet. Der Quantentopf liegt auf dem Niveau der Fermi-Energie 8, dessen energetisches Niveau durch die Punkt-Strich-Linie angedeutet ist. An der
Grenzfläche 2 zwischen dem ersten Materialbereich 1 und dem epitaktisch hierzu angeordneten Materialbereich 3 ist die Leitungsbandkante E abgesenkt im Vergleich zum Materialbereich 3.
Es tritt ein Potentialsprung an der Heterointerface-
Grenzfläche 2 auf (Band-Diskontinuität) . An der Grenzfläche 2 tritt aber kein Fermi-Level-Pinning auf, wie gemäß Stand der Technik, sondern vielmehr an der ersten nicht epitaktischen Grenzfläche 6 zwischen zweitem Ma-
terialbereich 3 und einem optional auf diesem angeordneten, gegebenenfalls Materialbereich 3 umwachsenden weiteren Materialbereich 5, welches als cap-Material der Halbleiter-Struktur fungiert. Der optional angeord- nete Materialbereich 5 dient der Passivierung der dadurch umwachsenen Halbleiter-Struktur. In dem Fall, dass Schicht 5 nicht epitaktisch auf Schicht 3 angeordnet ist, läge das Fermi-Level-Pinning an der Grenzfläche 4.
Die Grenzfläche 6 der Halbleiterstruktur weist Fermi- Level-Pinning aufgrund von Grenzflächenzuständen auf. Die gesamte Halbleiter-Struktur wird von einem nicht epitaktischen Material, z. B. einem Isolator 7 oder einem Metall 7 oder einem nicht epitaktischen Halbleiter 7, umgeben. Als Isolator kann z. B. ein Gas wie Luft oder Kunststoff vorliegen.
Der energetische Wert des Fermi-Level-Pinnings, dargestellt durch Pfeil 9, und damit der Abstand des an der Grenzfläche 6 fixierten energetischen Abstands der Lei- tungsbandkante E vom Fermi-Level 8 im Gleichgewicht ist durch die Pfeile 9 dargestellt.
Wie ersichtlich, ist das an der Grenzfläche 6 auftretende Fermi-Level-Pinning durch geeignete Wahl der Materialien von Schichten 1 und 3, den Abmessungen dieser Schichten und gegebenenfalls deren Dotierungen so weit von der Grenzfläche 2 entfernt, dass die von Grenzfläche 6 ausgehende Verarmungslänge d den Quantentopf nicht negativ beeinflusst, so dass Ladungen gezielt in diesen Bereich eingebracht werden können. In der Halb-
leiter-Struktur soll der kürzeste Abstand des Quantentopfes zur nicht epitaktischen Außenfläche 6 (Fermi- Level-Pinning) dabei größenordnungsmäßig die Verarmungslänge d nicht unterschreiten.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines radial geschnittenen Querschnitts durch einen gemäß Fig. 3 umwachsenen Whiskers. Der innere Materialbereich 1, wird epitaktisch vollständig von Materialbereich 3 umwachsen. Es kann optional cap-Material 5 epitaktisch auf Material- bereich 3, und auf dem cap-Material 5 optional metallisches Schottky-Gate-Material 7 angeordnet sein. Auch die übrigen Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. 3.
Als erfindungsgemäße Halbleiter-Strukturen kommen insbesondere GaAs als Material von Bereich 1 und AlGaAs als Material von Bereich 3 in Frage.
Eine Simulation (Fig. 5) zu den beiden Halbleiter- Strukturen gemäß der Fig. 3, 4 demonstriert die erfindungsgemäße Wirkungsweise der lateralen epitaktischen Umwachsung und die gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte freie Ladungsträger-Konzentration im Inneren der Struktur, das heißt im Quantentopf von Materialbereich 1. Die Abmessung der Umwachsung und deren Dotierung sind so gewählt, dass die freien Ladungsträger zur Erhöhung der Beweglichkeit im Inneren maximiert sind, räumlich getrennt von Dotierung und Grenzflächen. Eine erfindungsgemäße Änderung der Materialien und/oder Materialdicken und/oder Dotierungen ermöglicht eine definierte Variation der freien Ladungsträgerkonzentration und/oder räumlichen Verteilung.
In Fig. 5 ist eine näherungsweise Simulation zu einem zweidimensionalen Schichtpaket mit selbstkonsistentem Hartree-Potential, LDA-Austausch und quantenmechanischer Berechnung der Elektronenladungen (freie Ladungs- träger) gezeigt.
Simuliert wurde der Fall eines undotierten, 20 Nanome- ter dicken Materialbereichs 1 aus GaAs, der von einem 15 Nanometer dicken Materialbereich 3 aus Al0;3Ga0 7As vollständig umwachsen war. Materialbereich 3 ist n- dotiert mit 3,0 x 1018 cm"3 und vollständig ionisiert.
Ein undotierter, 5 nm dicker Materialbereich 5 aus GaAs ist zum Schutz gegen Oxidation des AI in Materialbereich 3 auf diesem angeordnet . Der Materialbereich 5 ist an ein nicht epitaktisches metallisches Außenmate- rial 7 (z. B. Schottkykontakt) angeordnet.
Die Fermienergie ist erneut strichpunktiert dargestellt. Im oberen Diagramm a) ist der Verlauf der Leitungsbandkante (Potential) als Funktion der Position (z) dargestellt. Im unteren Diagramm b) ist der Verlauf der freien Ladungsträgerkonzentration (Charge) als
Funktion der Position (z) dargestellt. Es tritt Fermi- Level-Pinning erst an der Grenzfläche 6 bei etwa 0,65 eV gegen Leitungsbandkante E auf (s. Fig. 4) . Es wurde nur der rechte Teil mit Bezugszeichen 1 bis 7 versehen.
Es wird deutlich, dass im Bereich des Materialbereichs 1 eine gezielte Ladungsträger-Konzentration in Höhe von bis zu 2*1017 cm"3 erreicht wird. Dies ist ein Wert, der um etwa 109 höher liegt, als bisher bekannt. Diese An-
reicherung von Ladungsträgern im Materialbereich 1 mit Abmessungen von 20 Nanometern und kleiner kann je nach Anwendungsfall für optische Zwecke (null-dimensionale Umwachsung einer Insel) , Transistoren oder resonante Tunneldioden oder Superlattices (ein-dimensionale Umwachsung von Whisker-Strukturen) oder andere Stack- Strukturen innerhalb eines Whiskers mit mehreren Transistoren und Gates und/oder HeteroStrukturen innerhalb des Whiskers genutzt werden.
An Stelle der beschriebenen GaAs-AlGaAs-Halbleiter-
Struktur kann ohne jegliche Einschränkung der Erfindung eine Halbleiter-Struktur aus den nachfolgend genannten Materialien verwendet werden.
- AlyGaι-yAs (Materialbereich 1) und AlxGax_xAs (Materi- albereich 3) , mit x > y zur Ausbildung der Stufe im
Quantentopf (Banddiskontinuität) ;
InP (Materialbereich 1) und InxAlι_xAs, mit einem Wert x, der eine Gitteranpassung an InP ermöglicht;
InxGa;L-xAs (Materialbereich 1) und InP (Materialbe- reich 3) , mit einem Wert x, der eine Gitteranpassung an InP ermöglicht;
- AlyGai-yN (Materialbereich 1) und AlxGaι_xN, mit x > y;
Si (Materialbereich 1 oder 3) und SixGeι-x (Material- bereich 1 oder 3) , je nach Kristallverspannung und ob Elektronen oder Löcher gewünscht sind;
ZnO (Materialbereich 1) und AlxGaι_xN (Materialbereich 3) ;
InAs (Materialbereich 1) und AlSb (Materialbereich 3) .
Die Halbleiter-Strukturen können sowohl Verarmungs- als auch Anreicherungsstrukturen darstellen.
Fig. 6a, b zeigen schematisch in Perspektive die typische Geometrie der betrachteten ein- und null.- dimensionalen Strukturen. Die konkrete geometrische Formgebung (z. B. rund, quadratisch, hexagonal) in den Figuren ist nur zur Veranschaulichung gewählt und allgemein nicht eingeschränkt. Fig. 6a zeigt schematisch den nulldimensionalen Fall der Umwachsung einer Insel mit innerem Materialbereich 1 und äußerem Materialbe- reich 2. Fig. 6b zeigt schematisch den eindimensionalen Fall der Umwachsung eines Whiskers mit innerem Materialbereich 1 und äußerem Materialbereich 2.