Quantitative Bestimmung interner elektrischer Felder in Halbleiter-Nanostrukturen durch Transmissionselektronenmikroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Eickhoff; Professor Dr. Andreas Rosenauer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448949106

Ziel des beantragten Projektes ist die quantitative Bestimmung interner elektrischer Felder (IEFs) in Halbleiternanostrukturen mit Hilfe moderner Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und durch kontrollierte Superposition externer elektrischer Felder. Als ideales Modellsystem für diese Untersuchungen konzentrieren sich die Arbeiten auf pn-Übergänge in Gruppe III-Nitrid Nanodrähten (III-N NWs) sowie auf axiale Gruppe III-Nitrid Nanodraht-Heterostrukturen (III-N NWHs), die mittels plasmainduzierter Molekularstrahlepitaxie synthetisiert werden. Derartige NWHs können reproduzierbar mit hoher Präzision hergestellt werden und weisen polarisationsinduzierte IEFs in der Größenordnung von bis zu einigen MV/cm auf, deren Größe durch die geometrischen Abmessungen, die chemische Zusammensetzung und die Dotierkonzentrationen eingestellt werden kann. Darüber hinaus können Stärke und räumliche Verteilung der IEFs in individuell elektrisch kontaktierten NWs und NWHs durch Superposition eines externen elektrischen Feldes auf kontrollierte Weise manipuliert werden.Da die optischen Eigenschaften von III-N NWHs durch den Quantum-Confined Stark-Effekt stark beeinflusst werden, werden hier die IEFs ein und derselben Nanostruktur sowohl mit Hilfe der neuen TEM-Methoden als auch mittels optischer Analysen durch Bias-abhängige Photostrom- und Mikrophotolumineszenzmessungen untersucht. Der Vergleich der optischen Analysen und der TEM-Messungen für verschiedene Anregungs- und Elektronenstromdichten in Kombination mit numerischen Simulationen der Elektronen- und Lochzustände erlaubt dann eine quantitative Bestimmung der IEFs und führt zu einem verbesserten Verständnis der elektronischen Bandprofile, der Feldabschirmung durch freie Ladungsträger aber auch des Einflusses präparationsabhängiger elektronischer Oberflächenzustände. Die Verfügbarkeit und die Optimierung einer TEM-basierten Technik zur zuverlässigen und direkten Messung von IEFs ist nicht nur für die hier modellhaft behandelten AlGaN/GaN und InGaN/GaN Nanostrukturen relevant. Sie ist darüber hinaus von großem Interesse für die Analyse komplexer Nanostrukturen anderer Halbleitersysteme (z. B. GaAs/AlGaAs) aber auch für andere Anwendungen wie z. B. ferroelektrische Tunnelkontakte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen