Quantenfäden, Quantenpunkte

Effekte der Halbleiterphysik
der zweidimensionalen Ladungsträgersysteme unter extremen Bedingungen (tiefe Temperaturen und hohe Magnetfeldstärken) ausgeübt.
Die interessanten physikalischen Ergebnisse zum
QHE stimulierten darüber hinaus eine Vielzahl von
theoretischen Arbeiten, die weit über den engen Bereich der Halbleiterphysik hinauswirkten. Einige der
theoretischen Konzepte, die im Zusammenhang mit
dem ganzzahligen und dem fraktionalen QHE entwickelt wurden, sind inzwischen auch auf anderen Gebieten der Festkörperphysik, z.B. in der Physik der
Hochtemperatur–Supraleiter, populär geworden.
Literatur
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Quantenfäden, Quantenpunkte
Prof. Dr. M. Grundmann
In Quantenpunkten [1] ist die Bewegung von Ladungsträgern in allen drei Raumrichtungen eingeschränkt.
Ein Dimensionsquantisierungs–Effekt tritt auf, wenn die
Größe des Quantenpunkts im Bereich der DE B ROGLIE–
Wellenlänge der Ladungsträger liegt. Die elektronische
Struktur des Quantenpunktes wird dann durch quantenmechanische Effekte bestimmt und die physikalischen Eigenschaften werden von der Größe abhängig. Die Zustandsdichte entspricht der eines Atoms mit scharfen
Energiezuständen und nicht mehr der eines Festkörpers
mit kontinuierlichen Bändern. Für die Herstellung von
Quantenpunkten bestehen grundsätzlich zwei Wege:
künstliche Strukturierung aus einem Schichtsystem und
selbstorganisierte Entstehung.
Die künstliche Definition der Quantenpunktgeometrie
beruht meist auf Lithographietechniken mit nachfolgender Strukturierung, z.B. durch Ätzen oder Definition
von Elektroden. Mit verhältnismäßig großem Aufwand
können Strukturen bis in den 10 nm– Bereich hergestellt
werden. Die zweite Methode nutzt Selbstordnungseffekte
der Materialien auf der Nanometerskala, die die Erzeugung einer riesigen Menge von Quantenpunkten in Sekundenschnelle erlauben.
Die erste Anwendung von Quantenpunkten geschah in
dotierten Gläsern, die als Farb–Kantenfilter oder nichtlineare Absorber verwendet werden [2]. Nanokristalline Halbleitereinschlüsse (z.B. CdSeS) bestimmen hier die
Absorptionskante und damit die Farbe. Neuartige und
verbesserte Halbleiter–Laserdioden beruhen auf der Nutzung von Quantenpunkten als aktives Medium. Geringere Schwellenströme, geringere Temperaturabhängigkeit
und neue Wellenlängenbereiche gehören zu den realisierten Vorteilen [3]. Quantenpunkte eignen sich zur Speicherung einzelner Elektronen und können zu einer minaturisierten Mikroelektronik führen [4]. Bei einem auf dem
C OULOMB–Blockade–Effekt beruhenden Einzelelektronentransistor (SET – Single Electron Transistor) bewirkt
ein einzelnes Elektron den Schaltvorgang. Der Quantenpunkt wirkt als Kapazität; durch die hohe C OULOMB–
Wechselwirkungsenergie mit einem weiteren Elektron ist
die Beladung des Quantenpunkts bei einem bestimmten Potenzial auf eine ganzzahlige Elektronenzahl festgelegt. Dieser Effekt kann in einem Turnstile–Bauelement
genutzt werden, bei dem die Rate durch einen Quantenpunkt tunnelnder Elektronen der angelegten Modulationsfrequenz der äußeren Potenziale entspricht. Hierdurch kann aus einem Frequenznormal ein Stromnormal
erzeugt werden.
In Quantenfäden sind die Ladungsträger entlang einer Raumrichtung frei beweglich. Quantisierung findet in
zwei dazu senkrechten Raumrichtungen statt. Streuprozesse in der Nähe der Fermikante werden stark reduziert,
da elastische Streuung nur von k nach −k möglich ist. Es
bestehen Anwendungsmöglichkeiten bei Transistoren mit
hoher Beweglichkeit.
478
Quantenfäden, Quantenpunkte
Sachverhalt
Bei der Verringerung der Größe eines Stücks Materie, ändern sich seine physikalischen Eigenschaften gegenüber denen des Volumenmaterials merklich, wenn
man in die Größenordnung von Nanometern kommt.
Die Rolle der Oberfläche wird verglichen mit dem Volumen immer wichtiger, da ihr relativer Anteil steigt.
Fundamentale Parameter wie z.B. der Schmelzpunkt bei
Metallpartikeln verändern sich. Wird der Nanokristallit immer kleiner, dann gelangt man in das Regime von
Clustern, deren Eigenschaften diskret von der genauen Zahl der konstituierenden Atome und deren Anordnung abhängen. Im Folgenden werden die Ausführungen im Wesentlichen auf Halbleiter–Nanokristallite beschränkt, die kohärent, d.h. defektfrei, in eine Halbleitermatrix eingebettet sind. Der Bandabstand des Quantenpunktes soll dabei kleiner als der der umgebenden
Matrix sein, sodass sich ein attraktives Potenzial ergibt.
In diesem werden Ladungsträger lokalisiert und ihre Bewegung quantisiert (Dimensionsquantisierungs–Effekt).
Die Beladung mit einzelnen Elektronen führt zu merklichen Auswirkungen auf die Ladungsträgertransport–
Eigenschaften (C OULOMB–Blockade–Effekt). Es gibt
mannigfaltige Wege, Halbleiter–Quantenpunkte zu erzeugen. Zu den wichtigsten gehören:
– Einbettung in Gläser durch diffusionskontrolliertes
Wachstum in der Schmelze.
– Einbettung in poröse Matrizen, z.B. Zeolite, poröse
Gläser oder die so genannten MCMs (engl. Mobil Crystalline Material).
– Herstellung in einem Plasma oder in einer Flamme
(Aerosoltechnik).
– Nutzung von organometallischer und Polymer–
Chemie, z.B. kolloidale Lösungen.
– Selbstorganisiertes Wachstum auf Halbleiteroberflächen.
– Künstliche Strukturierung mittels Lithographie und
Ätztechniken.
– Elektrostatische Definition durch Elektroden auf
einem zweidimensionalen Ladungsträgergas (2DEG,
engl. Two–Dimensional Electron Gas).
Für Quantenfäden wurden verschiedene Herstellungswege realisiert, von denen künstliche Strukturierung und das Wachstum auf strukturierten Substraten,
insbesondere V–förmigen Gräben, die wichtigsten sind.
Viele grundlegende Untersuchungen zum Transport
von Ladungsträgern durch Quantenpunkte wurden an
lateralen Tunnelkontakten durchgeführt. Diese können
durch eine Elektrodenstruktur über einem 2DEG realisiert werden, das durch geeignet angelegte Spannungen verarmt wird. Eine weitere Möglichkeit, laterale Tunnelkontakte zu erzeugen, ist die lokale laterale
Oxidation von Halbleitern oder Metallen mithilfe einer
Rastertunnel– oder Rasterkraft–Mikroskopiespitze.
Unter geeigneten Bedingungen ordnet sich die Materie von selbst zu Nanostrukturen. Für Quantenpunkte von besonderem Interesse sind Selbstordnungseffekte an Halbleiter–Oberflächen [1]. Beim Wachstum
hinreichend verspannter Heterostrukturen (aus Materialien mit verschiedener Gitterkonstante) entstehen Inseln, da die dreidimensionale Geometrie gegenüber einer zweidimensionalen Schicht eine Relaxation der Verspannungsenergie erlaubt. Unter bestimmten Wachstumsbedingungen entstehen Ensembles von Inseln ähnlicher Größe und Form. In hinreichend dichten Ensembles findet auch eine Ordnung bezüglich der relativen lateralen Position statt. In Stapeln wachsen die
Quantenpunkte durch Verspannungseffekte vertikal aufeinander. Die entstandenen Inseln können mit dem
Halbleitermatrix–Material überwachsen werden und so
in eine Bauelement–Struktur eingebettet werden.
Kennwerte, Funktionen
Dimensionsquantisierungs–Effekt Die elektronischen
Eigenschaften eines Quantenpunkts hängen durch den
Dimensionsquantisierungs–Effekt von seiner Größe
ab, wenn diese in den Bereich der DE B ROGLIE –
Materiewellenlänge kommt. Für den einfachen Fall eines kubischen Quantenpunkts (Kantenlänge a) mit unendlich hoher Barriere hat ein Elektron der effektiven
Masse m die Energieniveaus
Enx ny nz
=
π 2 2 n2x + n2y + n2z
,
2m
a2
nx , ny , nz = 1, 2, . . .
(1)
Eine entsprechende Formel gilt für die Quantisierungsenergien der Löcher. Die zusätzlichen Energien durch
Quantisierung führen zu einer Erhöhung des fundamentalen Bandabstandes. Die Zustandsdichte wird diskret
(Abb. 1 ), ähnlich der eines natürlichen Atoms. Daher
werden Quantenpunkte auch als künstliche Atome“ be”
zeichnet.
In Quantenfäden findet Dimensionsquantisierung nur
in zwei Raumrichtungen statt; es gilt eine (1) entsprechende Gleichung für nur zwei Quantenzahlen, nx und
ny . In der dritten Richtung (z) sind Ladungsträger frei
beweglich und haben eine kontinuierliche Dispersion
2 kz2 /2m. Für jeden quantisierten Zustand gibt es ein
kontinuierliches
Band von Zuständen, dessen Zustandsdichte ∼ 1/ E − Enx ny an der Bandkante singulär
ist (Abb. 1 ). Entlang einer Raumrichtung sind die Ladungsträger noch frei beweglich. Streuprozesse in der
Nähe der F ERMI–Kante werden stark reduziert, da elastische Streuung nur von k nach −k möglich ist.
479
Effekte der Halbleiterphysik
Volumenmaterial
D(E)
Ec
Quantenfilm
D(E)
Ec
Quantenfaden
E
D(E)
Ec
Quantenpunkt
E
E
D(E)
ten führen. Für II–VI–Halbleiter sind die Exzitonen wesentlich kleiner, sodass hier Quantenpunktgrößen von
wenigen nm für die Erzeugung von Quantisierungseffekten notwendig sind.
Um nicht durch thermische Fluktuationen bedeutungslos zu werden, muss der Abstand quantisierter Niveaus, z.B. E211 –E111 , groß gegen kT (26 meV bei
Raumtemperatur) sein. In einem Ensemble von Quantenpunkten muss zudem die Fluktuation der geometrischen Parameter, insbesondere der Größe, klein sein.
Eine Größenfluktuation bedeutet eine Variation der
Grundzustandsenergie, die die atomar scharfe Zustandsdichte inhomogen verbreitert. Um eine Trennung von
Grund– und Anregungszustand zu erreichen, ist eine relative Größenfluktuation von σR /R < 10 % notwendig.
Für optoelektronische Anwendungen wie Laser,
Verstärker, Modulatoren oder Photodetektoren sind die
optischen Eigenschaften von Quantenpunkten entscheiE
Ec
dend. Im Folgenden werden die wesentlichen Merkmale
Abb. 1 Schematische Darstellung und elektronische Zustandsdich- des Spektrums und der Oszillatorstärke behandelt.
te in Volumenmaterial, Quantenfilm1 , Quantenfaden und QuantenIn Abb. 2 ist das Photolumineszenzspektrum von
punkt.
InGaAs–Quantenpunkten in GaAs gezeigt. Mit zunehmender Anregungsdichte treten neben dem GrundzuDie Verläufe der Zustandsdichte für null– und ein- stand weitere Peaks aufgrund von angeregten Zuständen
dimensionale Systeme stellen eine signifikante Modifi- auf, die die Schalenstruktur des Quantenpunktes widerkation gegenüber Volumenmaterial und dünnen zwei– spiegeln. Zusätzlich sind noch Lumineszenz aus dem
dimensionalen Schichten (Quantenfilme oder Quan- Substrat (GaAs) und einer zweidimensionalen dünnen
tentöpfe) dar (Abb. 1 ).
Benetzungsschicht (WL, engl. Wetting Layer), die beim
Berücksichtigt man die Endlichkeit der umgebenden selbstorganisierten Wachstum entsteht, zu beobachten.
Barriere, gibt es gebundene Zustände im Quantenpunkt Das hier beobachtete Spektrum stammt von vielen Milnur, wenn das Potenzial tief genug ist. Für eine Kugel liarden Quantenpunkten gleichzeitig. Die Übergänge
des Radius R ergibt sich eine minimale Potenzialtiefe sind spektral inhomogen durch Fluktuationen der Quantenpunktgröße verbreitert. Allerdings sind die FlukV0,min gemäß
tuationen so gering, dass die Zustände klar getrennt
π 2 2
bleiben. Sowohl der Abstand quantisierter Niveaus als
.
(2)
V0,min <
8mR2
auch die Lokalisierungsenergie, der Abstand zur BarDa Elektronen und Löcher in den Quantenpunkten riere (WL oder GaAs), sind groß gegen kT . Die Welauf kleinem Raum zusammengepresst“ werden, nimmt lenlängen der Übergänge hängen neben den verwende”
auch die gegenseitige C OULOMB–Wechselwirkung, die ten Materialien von der Größe der Quantenpunkte ab
im Volumenmaterial z.B. zur Exzitonenbildung führt, und können darüber variiert werden.
zu.
Bei welcher Quantenpunktgröße merkliche Effekte
auftreten, hängt von den Eigenschaften des betrachteten Materials ab, insbesondere von den Ladungsträgermassen, aber für die C OULOMB–Effekte auch von der
Dielektrizitäts–Konstante. Für III–V–Halbleiter sind typische Exzitonen–B OHRradien > 10 nm, sodass Quantenpunkte entsprechender Größe zu merklichen Effek-
Die Stärke der Absorption und des Gewinns im Falle
der Ladungsträgerinversion ist pro Volumen des Quantenpunkts gerechnet extrem hoch. Der so definierte Materialgewinn beträgt typischerweise ∼ 105 cm−1 ; der
Absorptionskoeffizient pro Quantenpunktvolumen hat
einen entsprechenden Wert. In einem realen Bauelement
muss aber berücksichtigt werden, dass nicht das gesamte Volumen, in dem die optische Welle läuft, restlos mit
Quantenpunkten aufgefüllt ist. Der Füllfaktor beträgt ty1
Nach dem eindimensionalen Potenzialverlauf senkrecht zur
pischerweise 10−3 − 10−4 , sodass der tatsächliche, so
Schichtebene spricht man oft auch von Quantentopf“ (engl. quan”
genannte modale Gewinn 10 − 100 cm−1 beträgt.
tum well).
480
Quantenfäden, Quantenpunkte
Kapazität im Bereich 10−19 − 10−18 F liegen und die
Quantenpunkte dürfen nur wenige nm groß sein. Zudem muss zur Beobachtung von Einzelladungseffekten der Widerstand Rt der Tunnelbarrieren hinreichend
I (W/cm2 ):
hoch sein, damit man davon sprechen kann, dass das
103
500
Elektron in der Source– bzw. Drain–Elektrode oder im
50
Quantenpunkt lokalisiert ist. Die Bedingung hierfür ist
102
Rt >> h/e2 . Bezüglich des Leitfähigkeit–Quantums
5
s. Quanten–Hall–Effekt, S. 472.
101
Durch die Gate–Elektrode kann die elektrostatische
0,5
Energie des Quantenpunktes kontinuierlich geändert
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
werden. Die elektrostatische SelbstwechselwirkungsEnergie /eV
energie eines Quantenpunktes der Kapazität C, der kaAbb. 2 Photolumineszenzspektren eines InGaAs/GaAs–Quanten- pazitiv an eine Gate–Elektrode mit dem Potenzial VG
punkt–Ensembles bei Raumtemperatur und verschiedenen Anre- gekoppelt ist (Abb. 3 ), ist
Photolumineszenz-Intensität
104
Wellenlänge /µm
1,4 1,3 1,2 1,1
1,0
0,9
0,8
Quantenpunkte
300 K
WL GaAs
gungsdichten. WL bezeichnet Lumineszenz der Benetzungsschicht,
GaAs die des Substrats.
C OULOMB–Blockade–Effekt In Abb. 3 ist ein Quantenpunkt schematisch dargestellt, der kapazitiv an eine Gate–Elektrode gekoppelt und mit Tunnelbarrieren
an äußere Elektroden verbunden ist. Zwischen Source
und Drain soll eine sehr kleine Spannung VSD angelegt
sein, sodass prinzipiell ein Stromfluss durch den Quantenpunkt bewirkt werden kann.
VSD
Source
VG
Tunnelkontakte
Gate
Drain
Quantenpunkt
Abb. 3 Schematische Darstellung eines Quantenpunktes mit Tunnelkontakten und Gate–Elektrode.
Wenn ein Tunnelprozess stattfindet, dann ändert sich
die Ladung des Quantenpunktes diskontinuierlich um
eine Elementarladung e. Diese bewirkt eine Veränderung der elektrostatischen Energie des Quantenpunkts
um die Ladungsenergie EC = e2 /C, wobei C die Kapazität des Quantenpunktes ist. Ist diese Ladungsenergie nun groß im Vergleich zur thermischen Energie kT
und der angelegten Spannung eVSD , wird der Stromfluss
verhindert und man spricht vom C OULOMB–Blockade–
Effekt.
Die klassische Kapazität einer Kugel des Radius R
ist 4πε0 εr R, die einer flachen Scheibe 8ε0 εr R. Für Nanostrukturen im Größenbereich 100 nm ist die Kapazität etwa 10−16 F, sodass Einzelelektroneneffekte nur
bis zu etwa 4 K beobachtbar sind. Für Effekte, die nahe Raumtemperatur beobachtbar sein sollen, muss die
E(Q) =
Q2
− Qα VG .
2C
(3)
α ist ein dimensionsloser Faktor, der das Potenzial der
Gate–Elektrode mit dem Potenzial des Quantenpunktes verknüpft. Die Ladung Q auf dem Quantenpunkt
ist ein Vielfaches der Elementarladung Q = N e. Die
Energieterme in (3) müssen bei kleinen Quantenpunkten
um die Quantisierungsenergien (1) korrigiert werden.
Ein Ladungstransport kann nur stattfinden, wenn die
Energien E(N e) und E((N + 1)e) entartet sind. Dann
kann die Ladung des Quantenpunktes (ohne Energie”
kosten“) zwischen N und N + 1 Elektronen fluktuieren
und ein Elektron kann in einem sequenziellen Prozess
N → N + 1 → N von Source zu Drain wandern. Die
Bedingung hierfür ist
1 e
αVG = − N +
.
(4)
2 C
Bei einer kontinuierlichen Erhöhung der Gate–Spannung sind also periodische Leitfähigkeitsmaxima im
Abstand Δ(αVG ) = e/C zu erwarten, die C OULOMB–
Oszillationen genannt werden.
Diese Erscheinung wurde experimentell vielfach beobachtet (Abb. 4 a). Ein einfaches Modell erschließt
sich über das elektrochemische Potenzial μQD (N ) des
Quantenpunktes, d.h. die Energie, um das N te Elektron
hinzuzufügen,
1 e2
μQD (N ) = N −
− e α Vg .
(5)
2 C
Es ergibt sich eine Leiter mit Abstand e2 /C bei Beladung mit weiteren Elektronen, die durch die Gate–
Spannung kontinuierlich verschiebbar ist (Leitermodell, Abb. 5 a), b), c)). Durch Variation der Source–
Drain–Spannung kann nun das Regime der C OULOMB–
Blockade (Abb. 5 d), des Einelektronentunnelns (Abb.
481
Effekte der Halbleiterphysik
Leitfähigkeit /e2 h -1
1.0
Spannungsbereich, in dem konstanter Strom fließt, heißt
C OULOMB–Lücke (engl. C OULOMB–Gap).
Anwendungen
0.5
0
-0.6
a)
-0.55
Gate-Spannung VG / V
Laser Die Nutzung von Quantenpunkten als aktives
Medium in Diodenlasern ist attraktiv, weil durch die
Besonderheiten der atomaren Zustandsdichte verglichen
mit Quantenfilm–basierten Lasern der Schwellenstrom
reduziert und die Temperaturabhängigkeit des Schwellenstroms verringert wird. Ersteres, weil nur für eine
geringe Zahl von Zuständen Inversion erzeugt werden
muss, letzteres, weil die thermische Besetzung angeregter Zustände weniger Strom kostet“, da die Anzahl an”
geregter Zustände mangels eines Kontinuums geringer
ist. Der Einbau der Quantenpunkte als aktives Medium geschieht zunächst in konventionelle Laserstrukturen (Abb. 6 ).
-0.5
Strom / nA
1.0
0.5
0
-0.5
b)
+
-1
0
1
Source-Drain-Spannung VSD /mV
Abb. 4
a) Leitfähigkeit (C OULOMB–Oszillationen) und
b) Strom–Spannungs–Diagramm bei verschiedenen Gate–
Spannungen (C OULOMB–Treppe) eines Tunnelkontaktes wie in
Abb. 3 (nach [4]).
mS
N+1
N
N-1
mS
mS
mD
N+2
N+1
N
mS
mD
N+1
N
mQD
mQD
a)
b)
c)
mS
mD
N+1
N
N-1
mS
mD
mD
N+1
N
N-1
mQD
mQD
mQD
d)
e)
f)
mD
Abb. 5 Lage der chemischen Potenziale von Source und Drain sowie eines dazwischen befindlichen Quantenpunktes. a), b) und c)
stellen die Abfolge bei Variation der Gate–Spannung dar und zeigen das Entstehen von C OULOMB–Oszillationen wie in Abb. 4 a).
d), e) und f) stellen die Variation der Source–Drain–Spannung dar
und damit das Entstehen der C OULOMB–Treppe wie in Abb. 4 b.
5 e) oder des Mehrelektronentunnelns (Abb. 5 f) eingestellt werden. Der Strom nimmt mit zunehmender
VSD stufenweise zu (Abb. 4 b), man spricht von der
C OULOMB–Treppe (engl. C OULOMB–Staircase). Der
482
n-GaAs
-
N+2
mQD
N+1
N
N-1
p-GaAs
p-AlGaAs
p-GaAs
n-GaAs
n-AlGaAs
Abb. 6 Schematischer Aufbau eines kantenemittierenden Lasers
mit einem dreifachen Stapel von Quantenpunkten in der aktiven Zone.
Mittels selbstorganisierter Quantenpunkte gelang es
erstmals 1994 [5], Quantenpunkt–Diodenlaser zu realisieren. In Abb. 8 ist für einen kantenemittierenden Laser die Kennlinie bei 77 K und das Laserspektrum bei
Raumtemperatur gezeigt. Man erkennt, dass die Laseremission bei der Grundzustandslumineszenz der Quantenpunkte liegt und somit der Laser tatsächlich mit
der null–dimensionalen Zustandsdichte arbeitet. Mittlerweile halten Quantenpunkt–Laser den Rekord für die
kleinste Schwellenstromdichte für Halbleiterlaser (Abb.
7 ).
Für Anwendungen bei der Informationsübertragung
ist die Möglichkeit, 1 300 nm und eventuell auch
1 550 nm Emitter auf GaAs–Substrat zu realisieren, und
die erwartete Operation mit geringem Chirp (Änderung
der Wellenlänge unter Strommodulation) interessant.
Zurzeit wird auch die Möglichkeit untersucht, einen
Laser mit einem einzelnen Quantenpunkt zu realisieren. Zusammen mit dem C OUMLOMB–Blockade–Effekt
könnte man eine Photonen–Pistole“ bauen, die einzel”
ne Photonen in regelmäßigem zeitlichen Abstand sen-
QP
Lichtintensität
a)
77 K
b)
300 K
WL
Lichtintensität
Quantenfäden, Quantenpunkte
PL
EL
0 10 20 30
j /Acm-2
1,1
1,2
1,3
Energie /eV
1,4
Abb. 7 Charakteristik eines Quantenpunkt–Lasers. a) Kennlinie bei
77 K sowie b) Laser (EL) und Photolumineszenz (PL) Spektren
bei Raumtemperatur. QP bezeichnet den Übergang in den Quantenpunkten, WL den in der Benetzungsschicht.
Schwellenstromdichte in A/cm2
104
DH
Quantenpunkte
103
102
SCH-QW
versp.
QW
101
1960 1970 1980 1990 2000 2010
Jahr
Abb. 8 Historische Entwicklung der Schwellenstromdichte von
Halbleiter–Laserdioden. Kreise bezeichnen Doppelheterostruktur–
(DH–) und Quantentopf–(QW–)Laser. Dreiecke bezeichnen
Quantenpunkt–Laser.
die auf C OULOMB–Blockade basierende Elektronik mit
einzelnen Elektronen arbeiten.
Die grundsätzlichen Effekte der C OULOMB–
Blockade sind bei tiefen Temperaturen demonstriert; es
gilt nun diese, bis Raumtemperatur zu retten“. Zurzeit
”
scheint es möglich, C OULOMB–Blockade–Effekte
bei 77 K zu realisieren, die zumindest für Spezialanwendungen Bedeutung haben werden. Grundlage
verschiedener Anwendungen der Elektronik auf der
Basis einzelner Elektronen ist der Einzelelektronentransistor (SET, engl. Single Electron Transistor).
Der C OULOMB–Blockade–Effekt bewirkt, dass erst
nach Anlegen einer kritischen Spannung VSD > VC
der Tunnelkontakt leitfähig wird und der Transistor
aufschaltet.
Single Electron Memory Auf der Basis des SET kann
ein Speicher für einzelne Elektronen gebaut werden, der
letztendlich ein extrem empfindliches Elektrometer darstellt. So kann z.B. ein Speicher mit einem wenige nm
großen Silicium–Quantenpunkt über einem Silicium–
Leitfähigkeitskanal konstruiert werden. Ein einzelnes
Elektron auf der Insel führt durch sein elektrisches Feld
zu einer Verschiebung der Schwellenspannung. Die Anzahl der Elektronen auf der Insel ist durch den C OU LOMB –Blockade–Effekt genau festgelegt.
Turnstile Device Mit einem turnstile device ( Dreh”
kreuz“–Bauelement) kann ein neuartiges Stromnormal
realisiert werden. Die Potenziale an den Kontakten zu
einem Quantenpunkt mit C OULOMB–Blockade–Effekt
werden derart moduliert, dass genau ein Elektron von
Source zu Drain transferiert wird. Geschieht dies periodisch mit einem Frequenznormal der Frequenz f , wird
hierdurch eine Stromstärke I = f e definiert, die nicht
mehr wie bisher über die Kraft zwischen zwei Leitern
definiert ist.
det.
Detektoren Quantenpunkte können auch in Photodetektoren als lichtabsorbierendes Medium eingesetzt werden. Der Wellenlängenbereich kann auch hier durch
die Größenvariation eingestellt werden. Insbesondere Literatur
für Detektoren, die auf so genannten Intersubniveau– [1] B IMBERG , D.; G RUNDMANN , M.; L EDENTSOV, N.N.: QuanÜbergängen zwischen quantisierten Elektronenniveaus
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temperatur werden angestrebt.
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Einzelelektronen–Transistor (SET) Quantenpunkte [5] K IRSTAEDTER , N.; L EDENTSOV, M.; G RUNDMANN , D. et
al.:Electr. Lett. 30 (1994) 1416.
werden hier als Inseln genutzt, auf denen einzelne
Ladungen gespeichert werden können und dann den
Stromtransport durch C OULOMB–Blockade modifizieren. Dies wird möglicherweise das Herzstück einer miniaturisierten Elektronik [4]. Wenn die jetzige Entwicklung der Miniaturisierung der Mikroelektronik ungebrochen weitergeht, wird etwa im Jahre 2015 eine Strukturgröße von etwa 10 nm erreicht. Während heutige Elektronik für ein Bit etwa 104 Elektronen speichert, wird
483