HALBLEITERSTRUKTUR MIT EINER DIELEKTRISCHEN ODER HALBLEITENDEN SCHICHT DIE EIN DICKENPROFIL AUFWEIST

Die Erfindung betrifft eine Bauelementstruktureinheit für (Halbleiter-) Bauelemente, mit der das Ladungsträgerkonzentrationsprofil und die Verteilung der Ladungsträger in einem (Halbleiter-) Bauelement gezielt beeinflusst werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Bauelementstruktureinheit für (Halbleiter-) Bauelemente, mit der das Ladungsträgerkonzentrationsprofil und die Verteilung der Ladungsträger in einem (Halbleiter-) Bauelement gezielt beeinflusst werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein (Halbleiter-)Bauelement enthaltend wenigstens eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit.

Stand der Technik Seit der Einführung von Transistorstrukturen[1],[2] haben sich die Halbleiterbauelemente massiv weiterentwickelt. Das Grundprinzip basiert auf der Steuerung der Ladungsträgerkonzentration mit der angelegten Gate-Spannung. Zusätzlich kann man die Schwellenspannung (Threshold-Voltage Vth) in den Transistor-Strukturen durch die Verwendung von z.B. dielektrischen Schichten steuern, wobei dann die Ladungs- trägerkonzentration abhängig von - neben den Eigenschaften (dielektrische Konstante) der dielektrischen Schicht - der verwendeten dielektrischen Schichtdicke ist [3], [4]. Diese wirkt sich auch auf die Ladungsträger-Beweglichkeit aus, wobei die Ladungsträger-Driftgeschwindigkeit v von dem angelegten elektrischen Feld E und der Ladungsträgerbeweglichkeit m bestimmt wird (v = m x E). Da die Transistor-Struktu- ren (z.B. MOSHFET) und ihre elektrischen Parameter (z.B. drain - source current) auch stark von intrinsischen Materialeigenschaften abhängen, wie z.B. von der Leitfähigkeit, ist es vorteilhaft, dass man gezielt bei der Wahl der Bauelementarchitektur und speziell der dielektrischen Schichtdicke die jeweilige Funktion des Bauelementes berücksichtigt. Um den Ladungsträgertransport im (Halbleiter-) Bauelement generell zu verbessern und/oder die Effizienz der Strominjektion zu erhöhen, kann z.B. das elektrische Feld bzw. die angelegte Spannung erhöht und/oder die Abstände des Transportweges (Kanallängen) verkleinert werden. Bei Transistor-Strukturen werden zum Beispiel hohe Drain-Source-Spannungen (VDS) oder kleine Kanallängen eingesetzt, die das elektrische Feld ( E ) vergrößern. Obwohl die Driftgeschwindigkeit (v) der Ladungsträger zunehmen sollte (v = m x £), nimmt die Ladungsträgerbeweglichkeit (m) bei sehr hohem elektrischen Feld wieder ab [5]-[7]. Als Konsequenz nimmt der Drain-Source- Strom nur noch aufgrund der zunehmenden Ladungsträgerkonzentration zu. Es gibt Bestrebungen, örtlich die Dotierung und dadurch die Ladungsträgerkonzentration zu verändern. Das Design dieser Strukturen ist technisch aber sehr aufwändig. Bei den existierenden Bauelementlösungen für Bauelementstruktureinheiten ist die räumliche Verteilung bzw. die Distribution von Ladungsträgerkonzentration und -Beweglichkeit hinsichtlich der Verluste im Ladungsträgertransport immer noch nicht zufriedenstellend gelöst. Je nach Bauelementart (z.B. Transistor, LED, etc.) kommt es dann beispielsweise zu unerwünschter und/oder unvermeidlicher Wärmeentwicklung in der Bauelementstruktur [8], [9]. Das beeinflusst die Funktion des Bauelementes nachteilig und kann oder führt in der Regel zur Reduzierung der Lebensdauer und/oder der Zuverlässigkeit des Bauelementes.

Aufgabe und Lösung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Bauelementstruktureinheiten für Bauelemente, insbesondere Halbleiter-Bauelemente, zur Verfügung zu stellen, mit denen das La- dungsträgerkonzentrationsprofii des (Halbleiter-) Bauelements gezielt durch die erfin- dungsgemäße Bauelementstruktureinheit im (Halbleiter-) Bauelement selbst beeinflusst werden kann und in Folge dieser erfindungsgemäßen Bauelementstruktureinheiten dann die (Halbleiter-) Bauelementeigenschaften hinsichtlich der Leitfähigkeit und des Leitungscharakters gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Bauelementstruktureinheit bereitzustellen, sowie ein Bauelement, insbesondere

Halbleiter-Bauelement, bereit zu stellen, enthaltend wenigstens eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bauelementstruktureinheit gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Herstellungsverfahren für diese Bauelement- Struktureinheit gemäß Nebenanspruch. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Bauelement, insbesondere Halbleiter-Bauelement, enthaltend wenigstens eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Bauelementstruktureinheit, insbesondere für Halbleiter-Bauelemente, entwickelt, umfassend mindestens ein halbleitendes Basismaterial, auf das wenigstens eine Materialschicht mit einem inhomogen ausgestalteten Dickenprofil aufgebracht ist.

Durch das Aufbringen wenigstens einer Materialschicht mit einem inhomogenen Dickenprofil auf das Basismaterial, kann die erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit einen Gradienten in dem Ladungsträgerkonzentrationsprofil eines Bauelements, insbesondere eines Halbleiter-Bauelements, entlang der Transportrichtung der Ladungsträger durch eine gezielte inhomogene Variation der Schichtdicke oder der Schichtstruktur dieses aufgebrachten Materials aufweisen. Durch das Aufbringen des Materials mit einer inhomogenen Variation der Schichtdicke oder der Schichtstruktur dieses Materials kann die Ladungsträgerkonzentration und Ladungsträgerbeweglichkeit entlang der Transportrichtung der Ladungsträger in einem Bauelement eingestellt werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, um den Ladungsträgertransport im (Halbleiter-) Bauelement zu verbessern, die Effizienz der Strom Injektion und/oder der Elektronen Extraktion zu erhöhen, Ladungsträgerfallen zu erzeugen und/oder Signale in Zuleitungen und oder Verbindungen (sogenannten „interconnects“) zu beschleunigen.

Unter der Bezeichnung „inhomogenes Dickenprofil“ können im Rahmen der Erfindung beispielsweise inhomogene Schichtdicken oder Schichtstrukturen des entlang der Oberfläche des Basismaterials in Transportrichtung der Ladungsträger aufgebrachten Materials verstanden werden, welche beispielsweise Schichten mit einem, innerhalb der Schicht hinsichtlich der Schichtdicke des aufgebrachten Materials, zunehmendem und/oder abnehmenden Gradienten umfassen. Dieser Gradient kann beispielsweise in einem Bereich zwischen > 0 nm und 100 nm liegen. So kann die Materialschicht mit dem inhomogenen Schichtdicken- oder Schichtstrukturprofil beispielsweise auch eine Schichtstruktur mit einem konisch verlaufenden und/oder stufenförmigem Dickenprofil aufweisen und/oder ein Schichtprofil mit unregelmäßigen und/oder regelmäßigen, alternierend wiederholenden dicken oder dünnen Schichtbe- reichen und/oder Erhebungen und Vertiefungen umfassen.

Das Material oder die Materialschicht, welches/welche auf das halbleitende Basismaterial aufgebracht ist, kann beispielsweise als Schicht sowohl partiell, also nur auf einen Teilbereich oder Teilbereiche des Basismaterials aufgebracht sein, zum Beispiel von wenigstens einer Seite oder ober- und/oder unterhalb der Schicht des Basisma- terials oder punktuell aufgebracht sein, oder aber auch das Basismaterial komplett umgeben oder bedecken.

Weiterhin kann die auf das Basismaterial aufgebrachte inhomogene Materialschicht auch aus mehreren, wenigstens 2, mit beispielsweise 2 bis 4, unterschiedlichen Schichten aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein, die nebeneinan- der oder aufeinander aufgebracht sind, wovon wenigstens ein Material/eine Materialschicht mit einer inhomogenen Schichtdicke oder Schichtstruktur aufgebracht und ausgestaltet ist.

Anhand der Kenntnisse über die Eigenschaften des Materials/ der Materialien, welches/welche mit einem inhomogenen Schichtprofil auf das Basismaterial aufgebracht werden soll, kann mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Simulationsverfahren das gewünschte inhomogene Dickenprofil, die Schichtdicke und die graduelle Schichtdickenausgestaltung für das gewünschte Ladungsträgerkonzentrationsprofil, die gewünschte Leitfähigkeit und den gewünschten Leitfähigkeitscharakter des (Halbleiter-) Bauelements bestimmt werden. Die Leitfähigkeit s ist mit der Ladungsträgerkonzent- ration n und mit der Ladungsträgerbeweglichkeit m (s = b*h*m) korreliert, wobei e die Elementarladung ist.

Vom Basismaterial ist lediglich zu fordern, dass es wenigstens eine halbleitende Leitfähigkeit aufweist.

Wenn die Materialschicht auf das Basismaterial aufgebracht wird, so gibt es zu jedem Material des Basismaterials eine Gruppe besonders geeigneter Materialien, die als Isolierschichten dienen, und/oder von geringerer (elektrischer) Leitfähigkeit und höherer Dielektrizitätskonstante sind.

Vorteilhaft ist das Material der inhomogen auf das Basismaterial aufgebrachten Materialschicht ein Isolator oder ein Dielektrikum, wie zum Beispiel ein Element aus der Gruppe der Oxide oder Nitride des AI oder Si oder wenigstens ein Oxidnitrid des Si, und/oder Übergangsmetalloxide, wie zum Beispiel eine Verbindung aus der Gruppe von Hf02, Zr02, La203,Y203, Ta20s, Ti02 , Pr203, Gd203 und/oder ein Mischoxid aus der Gruppe der HfSi04, ZrSi04, GdSc03, SrTi03, BaTi03, PbTa206, LiNb03, die zum Teil ferroelektrische, pyroelektrische und piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Das Material der inhomogen auf das Basismaterial aufgebrachten Materialschicht kann auch zu der Gruppe der Elektrete gehören, insbesondere hergestellt aus der Gruppe der beispielsweise Polymere [10], wie Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid und einige seiner Copolymere. Diese Materialien vereinen eine geringe elektrische Leitfähigkeit und/oder eine hohe Dielektrizitätskonstante.

Das Material der inhomogenen Materialschicht kann aber auch beispielsweise ein Halbleiter mit größerer Bandlücke und/oder geringerer Ladungsträgerbeweglichkeit als das Basismaterial sein. Auch könnte es dasselbe Material wie das Basismaterial sein, das dann allerdings entlang der Transportrichtung der Ladungsträger inhomogen implantiert (dotiert) wurde und/oder bei dem die Dotierung durch Tempern (z. B. durch Laser micro annealing) inhomogen aktiviert wurde.

Vorteilhaft ist das Basismaterial ein Elementhalbleiter, beispielsweise aus Elementen der IV. Hauptgruppe, insbesondere C, Si, Ge, Sn oder Legierungen daraus und/oder Heterostrukturen daraus, oder ein Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise eine Legierung aus Elementen der III. Hauptgruppe, insbesondere B, AI, Ga, In, und Elementen der V. Hauptgruppe, insbesondere N, P, As und/oder Heterostrukturen daraus, oder eine Legierung aus Elementen der II. Hauptgruppe, insbesondere Be, Zn, Cd, und/oder Elementen der VI. Hauptgruppe, insbesondere O, S, Se, Te und/oder Heterostrukturen daraus. Es könnte auch aus der Klasse der 2D-Materialien, insbesondere Graphen, Germanen, Silicen, schwarzer Phosphor, M0S2 und/oder aus der Gruppe der topologischen Isolatoren, insbesondere Sb2Te3, B Tes, sowie deren Heterostrukturen und Legierungen ausgewählt werden, die Halbleiter mit kleiner Bandlücke sind. Es können auch organische Halbleiter, wie beispielsweise Polymere, in denen Derivate des Poly(p-phenylen-vinylen) als Farbstoffe verwendet werden, eingesetzt werden. Das Basismaterial kann auch aus einer Mehrschichtstruktur (Heterostruktur) bestehen.

Auf die Materialschicht, die auf das Basismaterial aufgebracht ist, kann in einer vorteilhaften Ausführung der Bauelementstruktureinheit noch mindestens eine weitere, elektrisch leitfähige, Materialschicht aufgebracht sein. Diese weitere, elektrisch leitfähige, Materialschicht kann beispielsweise vorteilhaft dazu eingesetzt werden, an die erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit eine Spannung anlegen zu können.

Diese weitere elektrisch leitfähige Materialschicht, die auf die Materialschicht auf dem Basismaterial aufgebracht wird, kann dabei homogen aufgetragen sein oder ein identisches Dickenprofil und eine identische geometrische Ausgestaltung wie die Materialschicht haben, die sich direkt auf dem Basismaterial befindet. Sie kann aber, abweichend davon, auch eine eigene geometrische Anordnung und ein eigenes Dickenprofil aufweisen und beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich aufgebracht sein.

Als Materialien für diese weitere/n Materialschicht/en sind beispielsweise alle elektrisch leitenden Materialien geeignet, die als Elektroden dienen können, wie zum Beispiel die Metalle Ti, Fe, Ni, Co, Pt, Cr, Pd, W, Ag, Cu, Au, In, Silicide des Co, W, Ti, Ta und Mo, Poly-Si, Supraleiter, wie zum Beispiel AI, Nb, NbN, YBaCuO, leitfähige transparente Oxide, wie Indiumzinnoxid (ITO), Ru02, Ir02 und T1O2, leitfähige Polymere, wie zum Beispiel Polyaniline, Polypyrrole, Polythiophene und Derivate von Polythiophenen sowie beispielweise Kombinationen aus Polymeren, wie Poly(3,4- ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Poly(styrol-sulfonat) (PSS) also PEDOTPSS, die ausgedehnte tt-Elektronensysteme in Form von konjugierten Doppelbindungen aufweisen.

Die erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit kann beispielsweise vorteilhaft als Steuereinheit eines Transistors, als Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors oder auch als Sammel- oder Ableitungselektrode eines Photodetektors ausgebildet sein oder weiterhin auch über ein elektrisch leitendes Zwischenstück, das die Gatelänge definiert, an das halbleitende Gate eines Feldeffekttransistors eingebaut sein.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Bauelementstruktureinheit. Dabei wird auf ein Basismaterial wenigstens eine Materialschicht aufgebracht, bei der das Dickenprofil entlang der Transportrichtung der Ladungsträger inhomogen auf die Oberfläche des Basismaterials aufgebracht wird.

Als Methoden der Beschichtung sind alle dem Fachmann für Beschichtungen be- kannten Verfahren geeignet, wie beispielsweise chemische Gasphasenabscheidung und Gasphasenepitaxie (CVD- und VPE-Verfahren), physikalische Gasphasenabscheideverfahren (PVD), Molekularstrahldeposition und -epitaxie, Rotatationsbeschichtungsverfahren oder auch lithographische Verfahren oder Ätzverfahren, allerdings unter Verwendung von Methoden, die eine entlang der Transportrichtung der Ladungsträger inhomogene Abscheidung bezüglich des Dickenprofils ermöglichen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauelement, insbesondere Halbleiter-Bauelement, enthaltend wenigstens eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand von Figuren erläutert, ohne, dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt wird. Die Figuren zeigen in dieser zeichnerischen Darstellungsform, beispielhaft jeweils Längsschnitte von (Halbleiter-)Bauelementen, die hier als Nano- draht-Schichtstrukturen ausgestaltet sind, enthaltend wenigstens eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit. Diese Schichtstrukturen können auch übertragen werden auf eindimensionale, zweidimensionale oder dreidimensionale Strukturen, insbesondere Nano-Strukturen, die mindestens von einer Seite an einem Template/Substrat befestigt sind.

Die hier beispielhaft gezeigten Ausführungsformen beschränken sich nicht auf die hier in Form von Längsschnitten gewählte geometrische Anordnung und Darstellung. Im Sinne der Erfindung sind beispielsweise auch flächige, kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Anordnungen von erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschichten möglich, deren geometrische Anordnung beispielsweise erst in der Darstellung eines Querschnitts, Vollschnitts, Teilschnitts oder Profilschnitts odereiner Aufsicht, Vorderansicht, Seitenansicht, auf die erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit erkennbar sind.

Es wird gezeigt:

Figur 1 : Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur gemäß Stand der Technik Figur 2: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit konischem Dickenprofil

Figur 3: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen auf- gebrachten Materialschicht mit konischem Dickenprofil und einer weiteren darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden-) Materialschicht

Figur 4: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit stufenförmigem Dickenprofil Figur 5: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht, mit stufenartigem Dickenprofil und einer vollständig auf diese Materialschicht aufgebrachten weiteren, elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Ma- terialschicht Figur 6: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit stufenförmigem Dickenprofil und einer diskontinuierlich partiell auf den Stufen dieser Materialschicht aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Materialschicht Figur 7: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil, gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen dieses Dickenprofils, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie

Figur 8: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil, gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen dieses Dickenprofils, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie und einer diskontinuierlich, partiell auf die in der bildlichen Darstellung horizontal ausgerichteten Oberflächen der jeweili gen Vertiefungen und Erhebungen dieser Materialschicht, aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Materialschicht

Figur 9a: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie, und einer auf die in der bildlichen Darstellung horizontal ausgerichteten Oberflächen jeweils einer Vertiefung und auf die in der bildlichen Darstellung vertikal und horizontal ausgerichtete Oberfläche der dazu direkt benachbarten Erhebung dieser Materialschicht, aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektro- den)-Materialschicht

Figur 9b: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen auf- gebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie, und einer jeweils auf die gesamte Oberflächen einer Vertiefung und der dazu direkt benachbarten Erhebung dieser Materialschicht, aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Materialschicht, wobei diese elektrisch leitfähige Materialschicht jeweils zwischen zwei Erhebungen der inhomogen aufgebrachten Materialschicht eine Unterbrechung oder Spalte aufweist, bei der kein elektrisch leitfähiges Material aufgebracht ist

Figur 9c: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil, gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie, und einer auf die in der bildlichen Darstellung horizontal ausgerichteten Oberflächen jeweils einer Vertiefung aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Materialschicht und einer weiteren elektrisch leitfähigen Materialschicht, die sich komplett über die horizontale und vertikale Oberfläche zweier benachbarter Erhebungen und die sich jeweils dazwischen befindende Vertiefung erstreckt

Figur 9d: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer erfindungsgemäß inhomogen aufgebrachten Materialschicht mit einem Dickenprofil gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende Erhebungen und Vertiefungen, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie, und einer weiteren elektrisch leitfähigen Materialschicht, die sich komplett über die horizontale und vertikale Oberfläche zweier benachbarter Erhebungen und die sich jeweils dazwischen befindende Vertiefung erstreckt

Figur 10: erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur mit Basismaterial und einer homogen aufgebrachten Materialschicht auf die diskontinuierlich eine elektrisch leitfähige (Elektroden)-Materialschicht aufgebracht ist, die in der bildlichen Darstellung als blockartige Elemente mit einem rechteckigen Querschnitt erscheint

Figur 1 zeigt eine Bauelementstruktureinheit 1 ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur gemäß Stand der Technik im Längsschnitt. Die Bauelementstruktur- einheit 1 umfasst ein Basismaterial 2, hier einen Nanodraht, der von/mit einem zweiten Material 3, hier einem Dielektrikum, gleichmäßig und homogen umhüllt oder beschichtet ist.

Figur 2 zeigt im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen, in Be zug auf das Dickenprofil dieser Materialschicht, umhüllt oder beschichtet ist, wobei das Dickenprofil dieser Materialschicht 3, ein entlang der gesamten Oberfläche des Basismaterials 2 in Transportrichtung der Ladungsträger konisch verlaufendes Dickenprofil aufweist. Die aufgebrachte Materialschicht 3 kann dabei auch aus mehreren unterschiedlichen Schichten, auch als Heterostruktur bezeichnet, zusammengesetzt sein. Durch das konisch verlaufende Dickenprofil des auf das Basismaterial 2 aufgebrachten Materials 3, wird ein Gradient in der Verteilung der Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit dieser Ladungsträgerteilchen im Basismaterial 2 erzeugt und somit ein Gradient in der Ladungsträgerdichte. In dem Bereich, wo das aufgebrachte Material 3 eine zunehmende Schichtdicke aufweist, kommt es im Basismaterial 2 zu einer Veränderung der Konzentration der Ladungsträger.

Die Veränderung der Konzentration der Ladungsträger durch das inhomogen ausgestaltete Dickenprofil der Materialschicht 3 kann, hinsichtlich einer beispielsweise Zunahme oder Abnahme der Ladungsträgerkonzentration, auch beeinflusst werden durch das verwendete Basismaterial 2 und/oder das Material 3 und durch die daraus resultierenden Wechselwirkungen dieser Materialien untereinander.

Besteht beispielsweise die Materialschicht 3 aus einem Oxid, wie beispielsweise AI2O3, nimmt die Ladungsträgerkonzentration mit zunehmender Dicke der Materialschicht 3 ab und die Ladungsträgerbeweglichkeit zu [4]

In anderen Materialsystemen, in denen beispielsweise das Basismaterial 2 aus mehreren Schichten besteht (Heterostruktur) und in Richtung der Schichtabfolge polare Eigenschaften aufweist (z.B. Gruppe III Nitride, kristallisierend in der Wurtzit-Struktur und Stapelung der Schichten senkrecht zur c-Achse des Kristallgitters), tritt eine spontane Polarisation des Basismaterials 2 auf. Wird dann auf dieses Basismaterial 2 als Materialschicht 3 ein einkristallines Material mit hoher Bandlücke und einer ge- ringeren Giterkonstante aufgebracht, wie z.B. AIGaN, wirkt sich die Gitterfehlpassung auf die Ladungsträgerkonzentration aus und eine piezoelektrische Polarisation tritt ein [11]. Bei zunehmender Dicke des Materials 3 nimmt die Verspannung zu, bis die Schicht relaxiert und die Verspannung abgebaut wird [12]. Bei einer Zunahme der Schichtdicke der Materialschicht 3, nimmt daher die Ladungsträgerkonzentration zunächst zu. Wenn also die Materialschicht 3 inhomogen in der Dicke ist, werden lokal unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen erzeugt. Die Leitfähigkeit s des Basismaterials 2 ist mit der Ladungsträgerkonzentration (n) und Ladungsträgerbeweglichkeit (m) korreliert. Es gilt: s = e *n* m, wobei e die Elementarladung ist.

Figur 3 zeigt im Längsschnit ein ähnlich wie in Figur 2 dargestelltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nano- draht Schichtstruktur, wobei hier zusätzlich auf die Materialschicht 3 eine weitere elektrisch leitende Materialschicht 4 aufgebracht ist, welche die gleiche geometrische Ausgestaltung der Materialschicht 3 aufweist. Diese elektrisch leitfähige Materialschicht 4 kann beispielsweise aus Aluminium, Polysilizium oder aus einer Titan/Gold Legierung bestehen. Mit Hilfe dieser Materialschicht 4 kann eine Gate-Spannung angelegt werden und dadurch die Ladungsträgerkonzentration zusätzlich noch weiter verändert und beeinflusst werden.

Figur 4 zeigt im Längsschnit eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen umhüllt oder beschichtet ist, wobei diese Materialschicht 3, ein inhomogenes, stufenförmiges, entlang der Oberfläche der Bauelementstruktureinheit 1 in Transportrichtung der Ladungsträger verlaufendes Dickenprofil aufweist. Vorteilhaft sind diese Stufen einfach technisch herzustellen. Darüber hinaus können auch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen dielektrischen Konstanten pro Stufe aufgebracht werden. Durch diese unterschiedliche Dicke der Materialschicht 3 in Form von Stufen, können lokal unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen eingestellt werden. Es können sich so in vorteilhafter Weise, lokal Ladungsträger-Reservoirs bilden, die unterschiedlich stark gefüllt sind. Diese Reservoirs können sich kaskadenartig entleeren. Solche Reservoirs sind vorteilhaft, denn sie gewährleisten, gegebenenfalls die Stabilität des Ladungsträgertransportes aufrechtzuerhalten, wenn sie sich entleeren. Sie bilden dann „Vorratsbereiche“ mit Ladungsträgern. Besteht das Basismaterial 2 nun nicht aus einem einzigen Material, sondern aus einer Mehrschichtstruktur unterschiedlicher Materialien, können über die Schichtdicke, hier insbesondere die Stufenhöhe- oder Stufendicke, passend zu dem danebenliegenden Bereich, Ladungsträgerkonzentrationen eingestellt werden. Vorteilhaft kann der Kanal des (Halbleiter-)Bauelements in seiner Leitfähigkeit technisch, je nach Bedarf und Anwendung, angepasst werden, ohne dass das Basismaterial 2 der Bauelementstruktureinheit 1 verändert werden muss.

Figur 5 zeigt im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen umhüllt oder beschichtet ist, wobei die Schichtdicke des Materials 3, ein inhomogenes, stufenförmiges, entlang der Oberfläche des Basismaterials 2 in Transportrichtung der Ladungsträger verlaufendes Schichtdickenprofil aufweist. Zusätzlich ist auf die Materialschicht 3 eine weitere Materialschicht 4 aufgebracht, welche die Oberfläche der Materialschicht 3 vollständig bedeckt und eine zur Außenseite der Bauelementstruktureinheit 1 ebene Oberfläche erzeugt. An den in der Figur 5 mit „Vg“ bezeichneten Positionen/Bereichen der Bauelementstruktureinheit 1 kann eine Gate-Spannung angelegt werden. Dadurch können lokal in der Bauelementstruktureinheit 1 zusätzlich unterschiedliche Intensitäten des elektrischen Feldes und erzeugt werden und die Ladungsträgerkonzentration zusätzlich verändert und beeinflusst werden. Gemäß der Ausgestaltung der Figur 5, werden alle Bereiche demselben Potential ausgesetzt, wobei durch die unterschiedlichen Dicken/Stufenhöhe oder Stufendicke des Materials 3, örtlich unterschiedliche Intensitäten des elektrischen Feldes vorhanden sind.

Figur 6 zeigt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen umhüllt oder beschichtet ist, wobei das aufgebrachte Material 3 ein stufenförmiges Dickenprofil aufweist und diskontinuierlich, partiell auf der horizontalen Oberfläche der Stufen dieser Materialschicht 3, eine elektrisch leitfähige (Elektroden)-Materialschicht 4 aufweist. Diese Materialschicht 4 weist in der hier dargestellten Schnittebene jeweils eine rechteckige Geometrie auf, wobei die einzelnen Bereiche der Materialschicht 4 untereinander getrennt sind. Die in dieser Figur 6 verwendeten Bezeichnungen Vg1 bis Vgx kennzeichnen, wie schon zuvor erläutert, die Positionen/Bereiche, an denen Gate-Spannungen angelegt werden können. Es ist möglich, unterschiedliche Gate- Spannungen anzulegen, wobei dies nicht zwingend notwendig ist. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung können lokal und isoliert einzelne Bereiche der Bauelementstruktureinheit 1 aktiv durch das Anlegen einer Gate-Spannung angesteuert werden.

Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen umhüllt oder beschichtet ist, wobei die Materialschicht 3 ein inhomogenes Dickenprofi! aufweist, welches alternierend wiederholende dicke und dünne Schichtbereiche oder Erhebungen und Vertiefungen, mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie aufweist. Durch die Ausgestaltung in Form der Erhebungen und Vertiefungen entstehen räumlich unterschiedliche Ladungsträgerbereiche. Diese Ladungsträgerbereiche können beispielsweise ohne Ladungsträger sein, also komplett geleert sein oder aber mit Ladungsträgern (auch teilweise) gefüllt sein. Bereiche in denen die Ladungsträger lokalisiert sind, können als „Ladungsträgerfallen“ bezeichnet werden. Durch die hier beispielhaft dargestellte geometrische Ausgestaltung der Materialschicht 3 mit Erhebungen und Vertiefungen kann vorteilhaft eine sogenannte „passive“, räumliche Steuerung der Ladungsträgerkonzentration erreicht werden.

Figur 8 zeigt wie Figur 7 eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material 3, hier beispielsweise einem Dielektrikum, inhomogen umhüllt oder beschichtet ist, wobei die Schicht des Materials 3 ein inhomogenes Dickenprofil aufweist, welches alternierend wiederholende dicke und dünne Schichtbereiche oder Erhebungen und Vertiefungen mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie aufweist. Zusätzlich zu der Materialschicht 3 ist auf die Erhebungen und Vertiefungen jeweils ein weiteres Material 4 aufgebracht, welches in der hier dargestell- ten Schnittebene jeweils einen rechteckige Geometrie aufweist und jeweils partiell auf der in dieser Darstellung horizontal ausgerichteten Oberfläche der Erhebungen und Vertiefungen der Materialschicht 3 aufgebracht ist. Die partiell aufgebrachten Bereiche der aufgebrachten Materialschicht 3 sind in der hier dargestellten Ausführung untereinander getrennt. Die in dieser Figur verwendeten Bezeichnungen Vg1 bis Vgx kennzeichnen, wie schon zuvor erläutert, die Positionen/Bereiche, an denen die Gate-Spannungen angelegt werden können. Mit Hilfe dieser Positionen/Bereiche, an welche die Gate-Spannungen angelegt werden können, können nunmehr zusätzlich, neben der „passiven“ Ausführungsform gemäß Figur 7, auch aktiv räumlich die La dungsträgerkonzentration verändert, unterschiedliche Ladungsträgerbereiche und/oder Ladungsträgerfallen erzeugt werden und die Form und Größe der Ladungsträgerbereiche verändert werden. Es ist möglich, unterschiedliche Gate-Spannungen anzulegen, wobei dies nicht zwingend notwendig ist.

Figur 9a zeigt wie Figur 7 und 8 eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2 und einer erfindungsgemäß inhomogen auf das Basismaterial 2 aufgebrachten Materialschicht 3 mit einem Dickenprofil, gekennzeichnet durch sich alternierend wiederholende dicke und dünne Schichtbereiche oder Erhebungen und Vertiefungen mit in der Schnittebene rechteckig dargestellter Geometrie und einer auf die in der bildlichen Darstellung horizontal und vertikal ausgerichteten Oberflächen jeweils einer Vertiefung und der dazu benachbarten Erhebung dieser Materialschicht 3, aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden)-Materialschicht 4. Die in dieser Figur verwendeten Bezeichnungen Vg1 bis Vgx kennzeichnen, wie schon zuvor erläutert, die Positionen/Bereiche, an denen die Gate-Spannungen angelegt werden kann. Es ist möglich, unterschiedliche Gate-Spannungen anzulegen, wobei dies nicht zwingend notwendig ist.

In der hier dargestellten vorteilhaften Ausgestaltung kann jeweils immer ein Bereich von benachbarter Vertiefung und Erhebung mit jeweils einer Gate-Spannung beaufschlagt werden. Dadurch können auch hier wieder räumlich, lokal einzelne Bereiche aktiv angesteuert und abgegrenzt werden und aktiv räumlich die Ladungsträgerkonzentration verändert werden.

Solche Bereiche können beispielsweise vorteilhaft für das Quantencomputing auch bei Raumtemperatur eingesetzt werden. Figur 9 b zeigt im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß Figur 9a eine der weiteren möglichen Ausgestaltungen hinsichtlich der aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden-) Materialschicht 4. In der hier dargestellten Ausführung erstreckt sich der Bereich dieser Materialschicht 4 über die gesamte Oberfläche einer Vertiefung und der dazu direkt benachbarten Erhebung der Materialschicht 3, wobei diese elektrisch leitfähige Materialschicht 4 jedoch jeweils zwischen zwei Erhebungen der inhomogen aufgebrachten Materialschicht 3 eine Unterbrechung oder Spalte aufweist, bei der kein elektrisch leitfähiges Material 4 aufgebracht ist. Diese Ausgestaltung kann vorteilhaft dazu genutzt werden, dass beim Anlegen der Gate-Spannung feste, lokale Ladungsträgerfallen erhalten werden können.

Figur 9c zeigt eine der weiteren möglichen Ausgestaltungen hinsichtlich der aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden-) Materialschicht 4, bei der sich die aufgebrachte elektrisch leitfähige (Elektroden)-Materialschicht 4 auf die in der bildlichen Darstellung horizontal ausgerichteten Oberflächen jeweils einer Vertiefung der Materialschicht 3 erstreckt und, davon elektrisch getrennt, eine weitere elektrisch leitfähige Materialschicht 4, sich komplett über die horizontale und vertikale Oberfläche zweier benachbarter Erhebungen und die sich jeweils dazwischen befindende Vertiefung der Materialschicht 3 erstreckt, so dass beispielsweise der Bereich der Vertiefung mit der Gate-Spannung Vg1 und der zweite Bereich, der sich über die zwei anschließenden Erhebungen mit der dazwischen liegenden Vertiefung erstreckt, mit der Gate- Spannung Vg2 beaufschlagt werden kann, sodass auch hier wieder aktiv räumlich lokal Ladungsträgerfallen gestaltet werden können.

Figur 9d zeigt eine der weiteren möglichen Ausgestaltungen hinsichtlich der aufgebrachten elektrisch leitfähigen (Elektroden-) Materialschicht 4, bei der sich die aufgebrachte elektrisch leitfähige (Elektroden)-Materialschicht 4 nur über die horizontale und vertikale Oberfläche zweier benachbarter Erhebungen und die sich jeweils dazwischen befindende Vertiefung der Materialschicht 3 erstreckt. An diesen Bereich kann eine Gate-Spannung Vg2 angelegt werden, sodass auch hier wieder aktiv räumlich lokal Ladungsträgerfallen gestaltet werden können. Grundsätzlich könnten überall dort, wo Erhebungen und Vertiefungen in der Materialschicht 3 ausgestaltet sind, unterschiedliche elektrisch leitfähige Materialien 4 aufgebracht sein, die diskontinuierlich, mit Spalten oder Unterbrechungen aufgebracht sein können. Figur 10 zeigt eine erfindungsgemäße Bauelementstruktureinheit 1 , ausgestaltet als Nanodraht Schichtstruktur, umfassend ein Basismaterial 2, welches von/mit einem Material, hier beispielsweise einem Dielektrikum, umhüllt oder beschichtet ist, wobei die Schicht dieses Materials 3, in dieser hier dargestellten Ausführungsform ein homogenes, entlang der Oberfläche des Basismaterials 2 in Transportrichtung der La- dungsträger entlangverlaufendes Dickenprofil aufweist.

Diese Schicht des Materials 3 kann, wie bereits zuvor erwähnt, auch aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein, die beispielsweise eine Schichtstruktur senkrecht zur T ransportrichtung der Ladungsträger des Bauelements aufweisen. Die unterschiedlichen Materialien können direkt aneinander angrenzen oder mit kleinen Lücken zueinander geformt sein.

Auf diese Materialschicht 3 ist ein weiteres elektrisch leitfähiges Material 4 aufgebracht, welches diskontinuierlich aufgebracht ist und in der hier dargestellten Schnittebene jeweils eine rechteckige Geometrie aufweist. Die in dieser Figur verwendeten Bezeichnungen Vg1 bis Vgx kennzeichnen, wie schon in den zuvor beschriebenen Figuren erläutert, die Positionen/Bereiche, an denen eine Gate-Spannung angelegt werden kann. Mit Hilfe dieser angelegten Gate-Spannungen, können lokalisierte, einzelne Bereiche von unterschiedlicher Ladungsträgerkonzentration in der Bauelementstruktureinheit 1 erzeugt werden. Es ist möglich, unterschiedliche Gate-Span- nungen anzulegen, wobei dies nicht zwingend notwendig ist. Für die in dieser Ausführung gemäß Figur 10 dargestellte Bauelementstruktureinheit 1 wird bei der Herstellung der auf das Basismaterial 2 aufgebrachten Materialschicht 3, abweichend von den übrigen, zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen, diese Materialschicht 3 ausnahmsweise homogen auf das Basismaterial 2 aufgebracht. Die Aufbringung der elektrisch leitfähigen Materialschicht 4 erfolgt partiell und diskontinu- ierlich auf die Materialschicht 3.

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Bezugszeichenliste:

1 : Bauelementstruktureinheit 2: Basismaterial

3: Material/Materialschicht, das/die auf Basismaterial aufgebracht ist

4: elektrisch leitfähige Materialschicht