Electron Transport in Semiconductor Nanowires

Abstract: Popular Abstract in Swedish Denna avhandling behandlar tillväxt av och elektriska mätningar på halvledande nanotrådar av indiumarsenid (InAs) och kombinationer av InAs och indiumfosfid (InP). En nanotråd är som namnet antyder en tunn solid tråd, som påminner om ett hårstrå fast med en diameter på typiskt 50 nm (en nanometer är en miljarddels meter, 10^-9 m) och längden kan vara allt från 100 nm upp till flera mikrometer. En nanotråd har således en diameter som är circa 2000 gånger mindre än ett hårstrå. En InAs tråd är uppbyggd av indium (In) och arsenik (As) atomer som sitter bundna till varandra i en ordnad struktur, ett sk gitter, och bildar en kristall. Avståndet mellan två atomer i gittret är ungefär 0.6 nm. En 50 nm nanotråd har alltså en diameter på 80 atomer. Dock varierar atomavståndet beroende på material. Trådarna tillverkas genom så kallad kristalltillväxt eller epitaxi med en metod som heter kemisk strålepitaxi. Denna metod går ut på att bombardera en kristallin yta med en stråle av atomer som kan bindas in på ytan atomlager efter atomlager och ordnas i samma mönster som den underliggande ytans gitter. Vid konventionell strålepitaxi växer kristallen fram lager för lager över hela ytan med samma hastighet och man får ett två-dimensionellt skikt. För att kunna producera nanotrådar behöver man lokalt kunna få en högre tillväxthastighet så att en endimensionell växt uppstår. Detta åstadkoms genom att deponera små guldpartiklar på provytan innan tillväxten startas. Dessa guldpartiklar fungerar som katalysatorer och ökar kristalltillväxten under partikeln, medan tillväxten på den övriga ytan förblir densamma. Ytterliggare en finess med epitaxi är att man kan byta material under växten och på så sätt skapa heterostrukturer som kan användas för att designa nya komponenter. Tyngdpunkten i denna avhandling är dessa trådars elektriska egenskaper. Ett materials elektriska egenskaper beror på vilken kristallstruktur som atomerna sitter ordnade i, hur rent materialet är, om det finns heterostrukturer, vid vilken temperatur materialet används, etc. De grundläggande egenskaperna uppstår på grund av den ordnade kristallstrukturen. Då elektronerna rör sig i kristallen påverkas de av atomkärnorna och kommer att kunna ha vissa bestämda energier (eller hastigheter) medan andra är förbjudna. Om man skapar en heterostruktur kommer elektronerna uppleva en annorlunda energistruktur, och genom att kombinera rätt material kan man skapa till exempel en barriär för elektronerna så att de inte kan ta sig förbi heterostrukturen. Om heterostrukturen görs väldigt tunn (typiskt 5 nm), bildas en barriär som i klassisk fysik stoppar elektronernas framfart. Men enligt kvantmekanikens lagar så finns det en liten chans att elektronen tunnlar genom barriären och fortsätter färdas på andra sidan. Med hjälp av detta fenomen kan man skapa en mängd komponenter som inte har någon motsvarighet i vanliga elektroniska komponenter. En sådan komponent är enelektron transistorn, som består av två tunnelbarriärer i serie med en liten isolerad ö i mitten. Då en elektron tunnlar genom den första barriären in till ön kan den fastna där, och på grund av öns ringa storlek blir det omöjligt för en andra elektron att passera genom strukturen. Med hjälp av en närliggande elektrod kan man ändra på öns elektrostatiska potential och därmed också kontrollera när en elektron tillåts att passera strukturen. Den elektriska strömmen som flyter genom transistorn kan alltså kontrolleras elektron för elektron. Detta kan användas som väldigt energisnåla minnen, extremt känsliga laddningsdetektorer, och till och med kvantbitar som behövs för att kunna bygga en kvantdator. Det sistnämnda kräver dock att man kan tömma ön på elektroner så när som på den absolut sista. Genom att tillverka en transistor med 5 nm tunna barriärer och en 10 nm lång ö inuti en nanotråd har vi kunnat visa att antalet elektroner på ön kan kontrolleras fullständigt mellan noll upp till cirka 50.