IFF

 ZCH

 ISG

 ZEL

Verantwortlich: Prof. R. Waser, IFF, r.waser@fz-juelich.de

Aufgaben und Ziele

Das Programm Festkörperforschung für die Informationstechnik ist weit im Vorfeld der Entwicklung der Halbleiterindustrie angesiedelt und liegt an der Schnittstelle zwischen der reinen Grundlagenforschung und der anwendungsnahen Entwicklung. Die Gebiete umfassen Informationsverarbeitung in Logikbauelementen, Informationsspeicherung in Random Access Memories (RAM) und Massenspeichern und Informationsübertragung auf Chip- und Systemebene sowie über große Distanzen. Hinzu kommen spezifische Bereiche der Informationsaufnahme (Sensorik)

Wichtige Ergebnisse im Jahr 2003

Topic 1: Nanoskalige Logik-Bauelemente und Quantenelektronik

• Mit Hilfe des "Jülich Prozesses" zur Herstellung von verspanntem Silizium ist es gelungen, in einem Wachstumsschritt verspanntes Silizium auf relaxiertem Silizium-Germanium herzustellen. Dafür wurde eine einkristalline Si/Si_0.74Ge_0.26 Heterostruktur (8nm/150 nm) auf Si(100) mit He Ionen implantiert und getempert. Raman-Messungen zeigen, dass die SiGe dabei relaxiert und die Si Deckschicht tetragonal verspannt.
• An Silizium Nanostrukturen mit minimalen Stegbreiten bis zu 25 nm wurde nach Bor-Implantation mit Hilfe von "Spreading Resistance" Messungen in Zusammenarbeit mit Infineon und IMEC Leuven gezeigt, dass die Bordiffusion zu einem gekrümmten Diffusionsprofil führt und besonders nahe der Oberfläche die Diffusion verzögert wird.
• Si/Ge Nanodrähte und Nanoringe mit Dimensionen von etwa 3 nm konnten durch selbstorganisiertes Wachstum hergestellt werden.
• Es wurde ein neuer MOVPE-Prozess entwickelt und zum Patent angemeldet, mit dem parasitäre Deposition erheblich vermindert und dadurch die Reproduzierbarkeit bei der Abscheidung erheblich erhöht wird. Dieser Prozess wurde gewinnbringend für die Abscheidung von GaN eingesetzt.

Topic 2: Magnetoelektronik und Spintronik

• Die Untersuchungen beschäftigten sich mit den magnetischen und Transporteigenschaften ausgewählter Spintronik-Materialsysteme. Theoretische Studien des TMR-Modellsystems Fe/MgO/Fe sagen für den idealen Kontakt einen sehr hohen TMR-Wert voraus. Die Anwesenheit einer FeO Monolage an der Grenzfläche reduziert den TMR-Effekt jedoch auf den experimentell beobachteten Wert von unter 10%. Die bisher nur für Si beobachtete starke antiferromagnetische Zwischenschichtkopplung wurde jetzt auch in Ge-basierten Zwischenschichten gefunden, und kann damit als immanente Eigenschaft epitaktischer Halbleiter-Zwischenschichten gelten. In InGaAs/InP Quantendrähten wurde eine starke Variation der Kopplungsstärke des Rashba-Effekts mit der Drahtbreite nachgewiesen.

Topic 3: Terahertz-Elektronik

• Bei den LT GaAs Photomischern konnte eine Ausgangsleistung von 1 mu W bei 850 GHz realisiert werden. Weiterhin wurden für AlGaN/GaN HEMT-Strukturen auf Si und SiC vielversprechende Hochfrequenzeigenschaften erreicht. Insbesondere wurde dabei auch die Phasenrauscheigenschaften ausführlich studiert. Bei der Supraleitung konnte durch eine neue Art von Josephsonkontakten der Frequenzbereich der Hilbertspektroskopie auf 4 THz erweitert werden. Durch Untersuchungen der Mikrowelleneigenschaften von MgB₂ haben sich vielversprechende Perspektiven für THz-Anwendungen dieses Supraleiters aufgezeigt. Im Bereich der integrierten Schaltung für THz-Frequenzen wurden neue Schemata zur gezielten Anregung von Defektresonanzen in elektromagnetischen Bandgapstruturen entwickelt. Darüber konnten mit nanostrukturierten Varaktoren auf der Basis von SrTiO₃-Schichten überragende Hochfrequenzeigenschaften demonstriert werden.
• Es wurde ein Prozess für die Herstellung von Gunn Dioden im Frequenzbereich von 77 GHz mit Leistungen von bis zu 100 mW entwickelt. Das Temperaturverhalten der Dioden konnte durch eine geeignete Schichtstruktur mit einem Emitter für "heiße Elektronen" deutlich verbessert werden.
• Photomischer basierend auf GaAs, das bei relativ niedrigen Temperaturen in der MBE abgeschieden wurde (low termperature GaAs), konnten soweit optimiert werden, dass sie als THz-Oszillatoren in Höchstfrequenzempfängern für die Radioastronomie eingesetzt werden. (Zusammenarbeit mit dem MPI für Radioastronomie, Bonn).

Topic 4: Hysteretische oxidbasierte Speicherkonzepte

• Anordnungen von SrZrO₃-Nanostrukturen mit PLD (pulsed laser deposition) wurden hergestellt. Die durch die Gitterfehlanpassung des kohärenten SrZrO₃/SrRuO₃-Interfaces verursachte komprimierende Verspannung wurde verwendet, um SrZrO₃ in dreidimensionalem Habitus wachsen zu lassen. Dieser Wachstumsmodus von SrZrO₃ wurde benutzt, um auf nanostrukturierten SrRuO₃ Oberflächen 1-dimensionale dielektrische Strukturen zu fabrizieren.
• In 2003 konnten wesentliche Fortschritte bei der Skalierung ferroelektrischer Materialien erzielt werden. Durch eine Selbstorganisationstechnik konnten ultra-kleine PbTiO₃ Dots auf Pt hergestellt werden. Mit Hilfe der Rastersondentechnik konnte die Piezoaktivität bis zu Dot-Größen von ca. 20 nm Durchmesser nachgewiesen werden. Diese Resultate sind in Zusammenhang mit der maximalen Integrationsdichte nicht-flüchtiger ferroelektrischer Speicher von großem Interesse. Basierend auf epitaktischen Heterostrukturen aus SrRuO₃/PbZr_0.52Ti_0.48O₃/SrRuO₃ (oder Pt) konnte Ferroelektrizität für Schichtdicken von 250 nm bis zu 8 nm PZT sicher nachgewiesen werden. Bei weiterer Reduzierung der Schichtdicke auf 7 nm und weniger wurde resistives Schalten beobachtet, was nach einer Optimierung ein neues Speicherkonzept darstellen könnte. Begleitend wurden verschiedene Modelle zur Simulation der gewonnenen Ergebnisse herangezogen.
• Im Bereich der MOCVD Schichtdeposition gelang die konformale Abscheidung des alternativen Gateoxydes HfO_x auf Si.

Topic 5: Molekular- und bioelektronische Hybrid-Systeme

• Hochaufgelöste STM Abbildung wurde erstmals mit Messungen der lokalen Strom - Abstand Charakteristik kombiniert. Der Vergleich der experimentellen Daten mit berechneten eindimensionalen Barrierenhöhenprofilen ermöglicht einen direkten Zugang zu lokalen strukturellen und energetischen Eigenschaften der reinen und adsorbat-modifizierten Elektrode / Elektrolyt Grenzflächen.
• Die dynamischen Eigenschaften der Zell-Transistor Kopplung wurde an genetisch modifizierten Zellen unter Verwendung von Feld-Effekt Transistoren untersucht. Um das Rauschverhalten der extrazellulär abgeleiteten Signale zu verbessern, wurden darüber hinaus Floating Gate Transistoren entwickelt und bereits ihre Eignung in extrazellulären Kopplungsmessungen bestätigt. Parallel wurden mittels der Micocontact-Printing Methode geometrisch definierte Netzwerke hergestellt, in denen die synaptische Übertragung zwischen Neuronen mittels der multiplen Patch-Clamp Technik untersucht wurde.