5. JARA-FIT Ferienpraktikum Nanoelektronik

V1/V2: Herstellung und elektrische Charakterisierung eines Si-Bauelementes 
Betreuer: J. Moers, Q. Zhao

Der Laborversuch alternative MOS-Kapazitäten beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von MOS-Kapazitäten mit alternativen Isolatoren. Die Weiterentwicklung der MOSFETs erfordert den Einsatz neuer, optimierter Materialien und deren Charakterisierung. Ein solches neue Materialgruppe sind die high-k Isolatoren, ein prominentes Mitglied dieser Gruppe ist HfO2. Während des Versuches werden im Reinraum des IBN vollständige MOS-Kapazitäten mit unterschiedlich dicken HfO2-Schichten mittels den Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt und elektrisch charakterisiert. Ziel ist die Bestimmung des k-Wertes des Materials und der Qualität des Interfaces zwischen high-k und dem Silizium.

V3: Nanocontact Printing
Betreuer: S.Meffert

Es ist Ziel des Laborversuchs V3 Nanocontact Printing eine Einführung in die Weiche Lithographie zu geben. Als Weiche Lithographie bezeichnet man alle Methoden bei denen für die Herstellung oder Abformung von Strukturen auf Oberflächen elastische Stempel oder Masken verwendet werden. Nanocontact Printing ist eine dieser Methoden, bei der Molekülstrukturen im Nanometerbereich durch ein Druckverfahren von einer Stempeloberfläche auf die Oberfläche einer zu modifizierenden Probe übertragen werden. Durch das Drucken von geeigneten Proteinmustern auf Oberflächen, können diese beispielweise für das gerichtete Auswachsen von (Nerven-) Zellen auf Chipoberflächen genutzt werden. Während des Versuches werden alle kritischen Prozeßschritte bei dem Drucken von kleinen Proteinstrukturen erläutert und selber ausgeführt. Dies beinhaltet das Herstellen der Stempel mit Strukturgrößen bis 75nm, das Drucken von unterschiedlichen Proteinen auf Si-Wafer und die Analyse der Qualität der übertragenen Proteinmuster. Abschließend wird das Ausrichten von Nervenzellen auf den Proteinmustern mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht.

V4: Quantentransport in Halbleiter-Nanostrukturen
Betreuer: Th. Schaepers

Der Versuch "Transport in Nanostrukturen" wird in einem He-3 Kryostaten durchgeführt, welcher es erlaubt Messungen bei Temperaturen von weniger als einem Kelvin durchzuführen. Mit Hilfe von elektrischen Transportmessungen bei tiefen Temperaturen können Informationen über Quantenzustände und Streuprozesse in Halbleiternanostrukturen gewonnen werden. Der Kryostat ist zudem mit einem supraleitenden 10 T Magneten ausgestattet, der es ermöglicht, die Transporteigenschaften in Abhängigkeit vom Magnetfeld zu studieren. Im Verlauf des Versuchs wird die Arbeitsweise des He-3 Kryostaten erläutert. Die Studenten haben Gelegenheit, eine Probe in den Kryostaten einzuschleusen und diese abzukühlen. Anschließend werden elektrische Transportmessungen an Halbleiternanostrukturen bei unterschiedlichen Temperaturen und Magnefeldern durchgeführt.

V5: Spintranport in magnetischen Nanostrukturen
Betreuer: D. Bürgler

Im Laborversuch Spintransport in magnetischen Nanostrukturen wird der spinabhängige elektrische Transport in magnetischen Nanostrukturen untersucht. Dabei stehen zwei Effekte im Vordergrund: (1) Der Riesenmagnetowiderstandeseffekt (GMR) beschreibt den Einfluss der Magnetisierungsausrichtung in magnetischen Multilagen auf den elektrischen Widerstand. (2) Der Übertrag von Spinmoment von einer magnetischen Schicht zur nächsten durch einen spin-polarisierten Strom erzeugt ein Drehmoment auf die Magnetisierung der zweiten Schicht, die auf diese Weise umgeklappt oder zu hochfrequenten Oszillationen angeregt werden kann. Die Experimente finden an metallischen Nanosäulen mit Fe/Ag/Fe Schichtabfolge statt. Der Säulendurchmesser beträgt 70 nm bei einer Höhe von rund 100 nm. Die Studenten weisen an einem Tieftemperatur-Messplatz das strom-induzierte magnetische Schalten sowie auch die Anregung von magnetischen Oszillationen im GHz-Bereich nach.

V6: Nichtflüchtige Speicherkonzepte
Betreuer: R. Dittmann

Dieser Versuch ist Teil aktueller Forschungsarbeiten in denen neue Materialien für nichtflüchtige Arbeitsspeicher und Massenspeichermedien untersucht werden, die in Zukunft herkömmliche CMOS Technologie ersetzen sollen. Im Gegensatz zum ladungsbasierten DRAM nehmen die neuen Speicherzellen unterschiedliche elektrische Widerstände an, die dann als "0" oder "1" interpretiert werden. Darüber hinaus sind auch Zwischenzustände möglich, die die Speicherung von mehr als einem Bit pro Speicherzelle ermöglichen werden. Da sich diese Speicherzellen bis auf wenige Nanometer verkleinern lassen, können enorme Speicherdichten mit sehr schnellen Ansprechzeiten erreicht werden. In diesem Versuch werden sämtliche Teilschritte zur Herstellung eines Speicherbits durchlaufen. Dazu gehört die Herstellung dünner Oxidschichten mittels Pulsed Laser Deposition (PLD), die Strukturierung der Bauelemente im Reinraum und die anschließende elektrische Charakterisierung.

V7: Zell-Chip Kopplung bioelektronischer Hybride
Betreuer: B. Wolfrum

In diesem Versuch werden die Grundlagen und Testexperimente zur elektronischen Kopplung elektrisch aktiver Zellen an mikroelektronische Bauelemente erarbeitet. Dieser Versuch bedeutet den Einstieg in die Fragestellung der elektronischen Kopplung an der fest-flüssig Grenzfläche. Es werden theoretische Grundlagen zur Anbindung von lebender Materie - Ladungsträger sind hier geladene Ionen wie Na+, K+ und Cl- - an Metallgrenzflächen - Ladungsträger sind hier Elektronen - vermittelt. Im Experiment werden elektrische Signale individueller Zellen eines Zellverbands mit Mikroelektroden-Chips untersucht. Die zu untersuchenden Signale stammen von Zellen einer Herzmuskelzelllinie, welche auf den Mikroelektrodenchips in Kultur gehalten werden. Außerdem erhalten die Studenten eine Einführung in die Elektrophysiologie (patch clamp Technik) der Standardmethode für invasive Messungen an einzelnen Nervenzellen. Dazu werden Pufferlösungen angesetzt in denen die nachfolgenden elektronischen Kopplungsmessungen stattfinden. Nach diesen Vorarbeiten werden unter einem stark vergrößernden Auflichtmikroskop elektrophysiologische Versuche mit lebenden Zellen auf Chips durchgeführt.

V9: Resonante Quanten-Tunnelstruktur
Betreuer: M. Lepsa

The experiments are carried out in the Molecular Beam Epitaxy (MBE) laboratory for III-V compound semiconductors from IBN-1, FZ-Jülich. Here, mainly are grown high quality GaAs/AlGaAs based heterostructures aimed for quantum effect studies in layered semiconductors, as for example the resonant tunneling process. The MBE is the most appropriate method to obtain such heterostructure because of the perfect control of the layer thickness down to one monolayer, high quality of the grown material, good control of the layer doping, atomically sharp interfaces between layers etc. Double barrier quantum well structures (DBQW) represents the prototype systems by means a fundamental phenomena from quantum mechanics, the resonant tunneling process, can be studied at room temperature using the electronic transport in semiconductor heterostructures. During the first part of the experiments, basics related to the use of the MBE equipment will be explained and practiced. The system consists in a Load-Lock-, a Buffer- and a Growth chamber. For in-situ characterization and fixing of the growth rate conditions, a RHEED system is mounted on the Growth chamber. The students learn how the system is calibrated regarding the growth rate and doping and how a GaAs/AlGaAs DBQW structure is grown. Regarding the doping calibration, they prepare samples and do Hall measurements to determine the carrier concentration in doped layers. Also, they learn how to check the surface morphology of the grown samples using a contrast optical microscope. The second part of the experiments is dedicated to the study of the resonant tunneling structures. The students learn main aspects related to the design of such structures. Also, they do electrical characterization of processed DBQW (nano-) diodes, measuring the I-V characteristics of the devices with a micro-probe station and a HP Semiconductor Parameter Analyzer and correlating the results with specific resonant tunneling structures.

V11: Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von Ge-Quantenpunkten
Betreuer: G. Mussler

Das Ziel dieses Praktikumsversuches ist es einen Einblick in das selbstorganisierte Wachstum von Halbleiternanostrukturen zu bekommen. Im Versuch das Wachstum von Germanium-Quantenpunkten auf einem Silizium-Substrat mit Hilfe einer Molekularstrahlepitaxie-Apparatur mit den Studenten durchgeführt. Anschließend werden die hergestellten Quantenpunktproben charakterisiert. Die Methode der Röntgenbeugung wird benutzt, um die Oberflächenrauhigkeit der Quantenpunkte zu bestimmen. Mit der Methode der Rasterkraftmikroskopie werden die Größe, Dichte und Form der Quantenpunkte untersucht.

V12: Kohlenstoff-Nanoröhren
Betreuer: C. Meyer, P. Kögerler

Kohlenstoff Nanoröhren (carbon nanotubes) bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, das eine geschlossenen Röhre formt (wie eine aufgerollte Graphit-Schicht). Sie verfügen über herausragende elektronische Eigenschaften. So ist der Transport nicht diffusiv, sondern ballistisch, d.h. es gibt (fast) keine Rückstreuung. Das führt dazu, dass carbon nanotubes hohe Stromdichten tragen können (>109 A/cm2), ohne sich dabei aufzuheizen. Ausserdem sind sie perfekte eindimensionale Leiter. In diesem Versuch werden carbon nanotubes selbst hergestellt und die Proben anschließend mit fouriertransformierter (FT-) Raman-spektroskopie untersucht. Die Analyse der FT-Ramanspektren gibt sowohl Aufschluss über die Reinheit der Proben, als auch über deren elektronische Struktur.
Carbon nanotubes consist of carbon atoms ordered in a hexagonal lattice, which forms a seamless tube (like a rolled graphite sheet). Their electronic properties are exceptional. Electronic transport is not diffusive but ballistic, i.e. backscattering is (almost) absent. Therefore, carbon nanotubes can carry high current densities (>109 A/cm2), without heating up. Additionally, they are perfect one-dimensional conductors. During this lab-course, carbon nanotubes will be fabricated. The samples will be studied using Fourier transform (FT-) Raman spectroscopy. Analyzing the FT-Raman spectra one can gain information about the quality of the samples as well as the electronic structure.