Topological insulators belong to a new quantum state of matter that is currently one of
the most recognized research fields in condensed matter physics. Strained bulk HgTe
and HgTe/HgCdTe quantum well structures are currently one of few topological insulator
material systems suitable to be studied in transport experiments. In addition
HgTe quantum wells provide excellent requirements for the conduction of spintronic
experiments. A fundamental requirement for most experiments, however, is to reliably
pattern these heterostructures into advanced nano-devices. Nano-lithography on this
material system proves to be challenging because of inherent temperature limitations,
its high reactivity with various metals and due to its properties as a topological insulator.
The current work gives an insight into why many established semiconductor
lithography processes cannot be easily transferred to HgTe while providing alternative
solutions. The presented developments include novel ohmic contacts, the prevention
of metal sidewalls and redeposition fences in combination with low temperature
(80 °C) lithography and an adapted hardmask lithography process utilizing a sacrificial
layer. In addition we demonstrate high resolution low energy (2.5 kV) electron beam
lithography and present an alternative airbridge gating technique. The feasibility of
nano-structures on HgTe quantum wells is exemplarily verified in two separate transport
experiments. We are first to realize physically etched quantum point contacts
in HgTe/HgCdTe high mobility 2DEGs and to prove their controllability via external
top-gate electrodes. So far quantum point contacts have not been reported in TI
materials. However, these constrictions are part of many proposals to probe the nature
of the helical quantum spin Hall edge channels and are suggested as injector and
detector devices for spin polarized currents. To confirm their functionality we performed
four-terminal measurements of the point contact conductance as a function of
external gate voltage. Our measurements clearly exhibit quantized conductance steps
in 2e2/h, which is a fundamental characteristic of quantum point contacts. Furthermore
we conducted measurements on the formation and control of collimated electron beams, a key feature to realize an all electrical spin-optic device. In a second study
several of the newly developed lithography techniques were implemented to produce
arrays of nano-wires on inverted and non-inverted HgTe quantum well samples. These
devices were used in order to probe and compare the weak antilocalization (WAL) in
these structures as a function of magnetic field and temperature. Our measurements
reveal that the WAL is almost an order of magnitude larger in inverted samples. This
observation is attributed to the Dirac-like dispersion of the energy bands in HgTe quantum
wells. The described lithography has already been successfully implemented and
adapted in several published studies. All processes have been optimized to guarantee
a minimum effect on the heterostructure’s properties and the sample surface, which is
especially important for probing the topological surface states of strained HgTe bulk
layers. Our developments therefore serve as a base for continuous progress to further
establish HgTe as a topological insulator and give access to new experiments. / Topologische Isolatoren (TIs) beschreiben einen neuartigen Quanten-Aggregatszustand,
der derzeit eines der meist beachteten Forschungsfelder in der Festkörperphysik darstellt.
Verspannt gewachsene HgTe Schichten, sowie HgTe/HgCdTe Quantentrogstrukturen
sind als eines der wenigen TI-Materialsysteme geeignet, um in Transportexperimenten
untersucht zu werden. Darüber hinaus bieten HgTe Quantentröge hervorragende Voraussetzungen
zur Durchführung von Spintronik-Experimenten. Eine grundlegende
Voraussetzung für die meisten Versuche ist die zuverlässige Herstellung komplexer
Nanostrukturen in diesen Schichtsystemen. Aufgrund der intrinsischen Temperaturgrenzen,
der hohen Reaktivität mit verschiedensten Metallen und nicht zuletzt seiner
Eigenschaften als topologischer Isolator, stellt Nanolithographie auf HgTe eine Herausforderung
dar. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, weshalb viele der in der Halbleitertechnik
etablierten Lithographieprozesse nicht einfach auf HgTe übertragbar sind
und bietet stattdessen alternative Lösungen. Die vorgestellten Entwicklungen befassen
sich unter anderem mit der Herstellung ohmscher Kontakte, der Vermeidung metallischer
Seitenwände und Ätzresiduen in Kombination mit Niedertemperatur-Lithographie
(≤80 °C) und einem angepassten Hartmasken-Lithographieprozess. Zusätzlich demonstrieren
wir hochauflösende Niederenergie-Elektronenstrahllithographie (2.5 kV) und
die Strukturierung freitragender Gate-Elektroden. Die Realisierbarkeit von Nanostrukturen
in HgTe Quantentrögen wurde anhand zweier unabhängiger Transportexperimente
verifiziert. Wir präsentieren die erste Umsetzung physikalisch geätzter Quantenpunktkontakte
in hochbeweglichen HgTe/HgCdTe 2DEGs und weisen deren Kontrollierbarkeit
mittels externer Topgate-Elektroden nach. Bisher wurden experimentell
noch keine Quantenpunktkontakte in TI-Materialien realisiert. Um deren Funktionalität zu bestätigen, wurden Messungen des Punktkontaktleitwerts als Funktion der
externen Gate-Spannung durchgeführt. Die Messungen zeigen deutlich quantisierte
Leitwertstufen in Abständen von 2e2/h, ein Charakteristikum von QPCs. Darüber
hinaus wurden Untersuchungen zur Erzeugung und Kontrolle kollimierter Elektronenstrahlen durchgeführt, einer Schlüsselvoraussetzung zur Umsetzung spinoptischer
Bauteile. Für die zweite Studie wurden mehrere der beschriebenen Lithographie-
Techniken angewandt, um präzise Anordnungen aus Nanodrähten aus invertierten
sowie nicht invertierten Quantentrögen zu erstellen. Mit diesen Proben wurde der
Effekt der schwachen Antilokalisierung in Abhängigkeit von Magnetfeld und Temperatur
untersucht. Unsere Messungen zeigen, dass die schwache Antilokalisierung
in invertierten Proben um fast eine Größenordnung höher ist. Diese Beobachtung
kann wiederum der Dirac-artigen Dispersion der Energiebänder in HgTe Quantentrögen
zugeschrieben werden. Alle Lithographieprozesse wurden optimiert, um Einflüsse auf
die Materialeigenschaften sowie die Probenoberfläche zu minimieren. Dies ist besonders
für die Untersuchung der topologischen Oberflächenzustände verspannt gewachsener
HgTe-Schichten relevant. Die vorgestellten Entwicklungen dienen dabei als Grundlage,
um HgTe weiter als topologischen Isolator zu etablieren und gewähren Zugang zu neuen
Experimenten. Die in dieser Arbeit beschriebene Lithographie fand bereits mehrfach
Anwendung in verschiedenen veröffentlichten Studien.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:13715 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Mühlbauer, Mathias Josef |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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