Untersuchung des Feldeffektes an SrTiO3/LaAlO3-Heterostrukturen

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Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 4 1.1. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Ziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Probenherstellung 10 2.1. Lithographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2. Substrat-Präparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1. Markieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.2. Terminierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Aufbringen der LaAlO 3 -Schichten und des Gate-Dielektrikums per PLD . 17 2.3.1. Gepulste Laser-Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2. RHEED - Reflection High Energy Electron Diffraction . . . . . . . 18 2.3.3. Stukturierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3.4. Gate-Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4. Kontaktieren der Grenzfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.1. Ionenätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.2. Sputtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.3. Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.4. Bonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3. Experimente 30 3.1. Aufbau des Meßplatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2. Probengeometrie und Beschaltung der Strukturen . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3. SL1: 3 + 4 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.2. Elektrische Eigenschaften der drei-Einheitszellen-Flächen . . . . . 34 3.3.3. Eigenschaften der sieben-Einheitszellen-Kanäle . . . . . . . . . . . 36 3.4. SL2: 2 + 1 + 5 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.2. Eigenschaften der drei-Einheitszellen-Kanäle . . . . . . . . . . . . 39 3.4.3. Eigenschaften der acht-Einheitszellen-Kanäle . . . . . . . . . . . . 39 3.4.4. Eigenschaften des Gate-Dielektrikums . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.5. SL3: 2 + 3 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.5.2. Feldeffekt an den fünf-Einheitszellen-Kanälen . . . . . . . . . . . . 43 3.5.3. Eigenschaften des Gate-Dielektrikums . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2
3.6. SL4: 2 + 1 + 1 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.2. Eigenschaften der Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.7. SL5: 2 + 2 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.7.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.7.2. Feldeffekt an den vier-Einheitszellen-Kanälen . . . . . . . . . . . . 54 3.7.3. Eigenschaften des Gate-Dielektrikums . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.7.4. Kontaktprobleme bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . 59 3.8. SL6: 2 + 16 Einheitszellen LaAlO 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.8.1. Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.8.2. Eigenschaften der Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4. Auswertung 65 4.1. Eigenschaften der verschiedenen Gate-Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.1. Dielektrische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.2. Leckstrommechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.1.3. Aufladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1.4. Belastungsgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2. Feldeffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1. Temperaturabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.2. Nicht-Linearität bei großen Feldstärken . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.2.3. Abbruch der Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5. Rückblick und Ausblick 88 5.1. Resümee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.2. Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.2.1. FET mit großer Kanalbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.2.2. Oxid-Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 A. Durchschnittlicher Abstand überschüssiger Einheitszellen 92 B. Kapazitätsmessung mit dem Keithley 238 94 C. Kontaktprobleme bei tiefen Temperaturen 97 C.1. Kontaktprobleme bei tiefen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 C.2. Schottky-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 D. ...wie Danke 106 3
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Seite 5 und 6: Abb. 1.1: Skizze der leitfähigen G
Seite 7 und 8: Um d zu verkleinern, sind mehrere M
Seite 9 und 10: Das Ziel dieser Arbeit ist es somit
Seite 11 und 12: wird der Photolack, der die Probe b
Seite 13 und 14: Abb. 2.2: Skizze des Probenaufbaus
Seite 15 und 16: a b Abb. 2.4: Simulierter Blick auf
Seite 17 und 18: Die Ti-Terminierung der Substrate i
Seite 19 und 20: Eine ebene, epitaktische Kristallob
Seite 21 und 22: 1.2 1.0 Intensität (normiert) 0.8
Seite 23 und 24: (a) Photolack bedeckt die Stellen,
Seite 25 und 26: (a) Höhenbild: rot-orange: 8 uc ep
Seite 27 und 28: a b Abb. 2.12: Lichtmikroskopische
Seite 29 und 30: Abb. 2.14: Bilder einer gebondeten
Seite 31 und 32: Abb. 3.1: Skizze eines Probenstabes
Seite 33 und 34: Abb. 3.2: Übersicht einer ” 2+1+
Seite 35 und 36: 0.1 0.0 V (V) −0.1 −0.2 −0.3
Seite 37 und 38: am Top-Gate und der Gegenelektrode
Seite 39 und 40: ein Abstand von etwa 1 nm bis 20 nm
Seite 41 und 42: R □ bei T = 293K (kΩ) 350 300 25
Seite 43 und 44: dielektrikum zeigte anschließend e
Seite 45 und 46: elativ konstante DC-Spannung, die s
Seite 47 und 48: vorgegebene Grenze, wird der Betrag
Seite 49 und 50: a R/R(VG = 0 V) b IL (nA) 5.0 4.5 4
Seite 51 und 52: dieses Meßalgorithmus’ findet si
Seite 53 und 54:
Deposition 1 Deposition 2 Depositio
Seite 55 und 56:
10 8 10 7 U (V) 0.2 0.0 -0.2 R □
Seite 57 und 58:
a 10 7 240K 260K 280K R □ (Ω) 10
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starke Hysteresen, deren Breite von
Seite 61 und 62:
3.8. SL6: 2 + 16 Einheitszellen LaA
Seite 63 und 64:
—- IDS in Dunkelheit (nA) 80 70 6
Seite 65 und 66:
4. Auswertung In diesem Kapitel wer
Seite 67 und 68:
10 1 10 0 SL6@4.2 K SL6@230K L48@4.
Seite 69 und 70:
im Gegensatz zu Kapazitätsmessunge
Seite 71 und 72:
a 80 b 100.0 JL (µA/cm 2 ) 40 [2]
Seite 73 und 74:
T (K) 4.2 15.0 60.0 150.0 180.0 200
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G □ (µS) 10 4 10 3 10 2 dG □ d
Seite 77 und 78:
45 40 35 30 240K 260K 280K 295K G
Seite 79 und 80:
Maße geht er auch bei jedem weiter
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gleichzeitig, daß die Ladungsträg
Seite 83 und 84:
Zusammenfassung Neben der Änderung
Seite 85 und 86:
a 0.0 40 −0.2 35 dG/dt G −1 (%
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wenn die mittlerere freie Weglänge
Seite 89 und 90:
Eine weitere wichtige Erkenntnis is
Seite 91 und 92:
Für Anwendungen im digitalen Berei
Seite 93 und 94:
(a) ∆ = 1 16 der Fläche ist bele
Seite 95 und 96:
Zeitpunkt t ∗ erfolgen, an dem de
Seite 97 und 98:
C. Kontaktprobleme bei tiefen Tempe
Seite 99 und 100:
Abb. C.2: Spannungsgesteuerte Zweip
Seite 101 und 102:
[DFF05a] [DFF05b] Delugas, P. ; Fio
Seite 103 und 104:
[KT72] [KTK + 05] [KTM + 94] [LL00]
Seite 105 und 106:
[SSC + 02] Szot, K. ; Speier, W. ;
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