InGaAs- Mikro- und Nanoröhrchen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden selbstaufrollende verspannte InGaAlAs-Halbleiterschichten zur Herstellung und Untersuchung von gleichmäßig gekrümmten zweidimensionalen Elektronensystemen genutzt. Auf Grundlage der Arbeiten von Prinz und Mitarbeitern, die 1998 erstmals die Präparation von selbstaufrollenden Halbleiterschichten mit abstimmbaren Radien im Nanometerbereich demonstrierten, werden zunächst lithographische Methoden entwickelt, um auch die Form und den Ort der entstehenden 3D-Objekte auf dem Substrat definieren zu können. Diese Methoden ermöglichen, zusammen mit ebenfalls hier entwickelten einrollbaren Metallkontakten und speziellen Heterostrukturen zur Erzeugung von zweidimensionalen Elektronensystemen in den Röhrchenwänden, erstmals Magnetotransportmessungen an aufgerollten zweidimensionalen Elektronensystemen (A2DES). Die Entwicklung von aufrollbaren Hallstreifen ermöglicht weiterhin die Messung mit Stromrichtung längs oder quer zur Röhrchenkrümmung, d.h. längs oder quer zur sinusförmigen Modulation der senkrechten Magnetfeldkomponenten. Der Biegeradius dieser Systeme beträgt einige Mikrometer, ihre Beweglichkeit kann auf Werte bis zu 125000 cm^2/Vs optimiert werden. Magnetotransportmessungen an Hallstreifen entlang der Krümmung werden für kleine Magnetfelder mit Hilfe von FEM-Rechnungen und für grosse Magnetfelder durch abknickende Randkanäle im Rahmen des Landauer Büttiker Formalismus erklärt. Das modulationsphasenabhängige Verhalten von Shubnikov-de Haas Oszillationen in den Messungen kann durch die Dispersion der Landauniveaus im Probeninneren qualitativ verstanden werden. Erste Hallmessungen an Hallstreifen entlang der Röhrchenachse zeigen Signaturen, die als mögliche Hinweise auf hochbewegliche Zustände an den Nullstellen der Magnetfeldmodulation, sogenannte Snake Orbits, gedeutet werden können. Die Anwendung der hier entwickelten Methoden beschränkt sich nicht nur auf die Herstellung von A2DES. Als viel versprechende Kandidaten zur Herstellung von neuartigen nanoelektromechanischen Bauteilen werden des Weiteren erstmals Metall-Halbleiter-Hybridsysteme mit Biegeradien im Nanometerbereich realisiert. In ersten Vorabexperimenten zu optischen Ringresonatoren aus InGaAs-Mikroröhrchen können außerdem emittierende Quantenpunkte in die Röhrchenwände integriert werden.

In this thesis self-rolling strained InGaAlAs-heterostructures are employed for the fabrication and investigation of evenly curved two dimensional electron systems. Based on works by Prinz et al., who first demonstrated the fabrication of selfrolling semiconductor layers with tuneable radii in the nanometer regime, lithographic methods are developed to also tune the shape and location of the forming 3D-objects. Using in addition especially designed rolled-in metal contacts and heterostructures for the generation of two-dimensional electron systems in the tube walls these lithographic methods allow novel magnetotransport investigations on rolled-up two-dimensional electron systems. The development of rollable hall-bars in these structures furthermore enables measurements with current direction along the circumference or along the tube axis, i.e. along or perpendicular to the evolving sinusoidal modulation of the perpendicular magnetic field component. The bending radius of these structures lies in the regime of some microns. The optimization of the electron systems leads to a maximum mobility of 125000 cm^2/Vs. Measurements on hall-bars with direction along the curvature can be explained by FEM-calculations for small magnetic fields and by reflected edge channels in the framework of Landauer Büttiker formalism for higher magnetic fields. The modulation phase dependent behaviour of Shubnikov-de Haas oscillations are attributed to the dispersion of the Landau-levels in the bulk material. First measurements of the Hall-resistance in hall-bars along the tube axis exhibit signatures which might indicate the existence of high mobility channels along the zero-crossing of the magnetic field modulation, so-called snake orbits.

The application of the methods developed in this work are not restricted to the fabrication of evenly curved two-dimensional electron systems. In addition, lithographically defined metal-semiconductor scrolls with sub-micron radius are realized for the first time. These systems are promising candidates for the fabrication of novel nanoelectromechanical systems. Furthermore, light emitting quantum dots are integrated into InGaAs-tubewalls in preparatory experiments concerning the fabrication of optical ring resonators.