Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
für notwendigen technischen Einrichtungen zum Inhalt. In Abschnitt 3.3 werden
die Kryostat-Systeme einschließlich der zur Verfügung stehenden Messtechnik dar-
gestellt. Kapitel 3.4 geht auf die Interpretation von Daten aus Magnetotransport-
untersuchungen ein.
3.1
Molekularstrahlepitaxie
Um kristalline Halbleiterschichten auf kontrollierte Art in hoher Qualität herzu-
stellen, werden häufig Epitaxie-Verfahren angewendet. Unter Epitaxie versteht man
das orientierte Aufwachsen von Schichten auf der Oberfläche eines Wirtskristalls
(Substrat). Die Anordnung der Atome der aufgewachsenen Schichten führt dabei
die Struktur des Wirtskristalls fort. Bekannte Arten dieses Verfahrens sind die
Gasphasen-, die Flüssigphasen- und die Molekularstrahl-Epitaxie. Letzteres wurde
im Rahmen dieser Arbeit zur Herstellung hochbeweglicher 2DHGs eingesetzt und
soll im Folgenden beschrieben werden.
Als Vorläufer der Molekularstrahlepitaxie sind sicherlich die Experimente von Gün-
ther [61] in den Siemens-Laboratorien in Erlangen in den 50er Jahren des 20ten
Jahrhunderts zu sehen. Ihm gelang mit seinem Drei-Temperatur Verfahren die Her-
stellung dünner Schichten der Verbindungshalbleiter GaAs, InAs und InSb auf Glas-
substraten. Die Weiterentwicklung des Verfahrens führte 10 Jahre später zu den
Arbeiten von Arthur [2] und Cho [3] in den Bell-Laboratorien, welche die Wech-
selwirkung von Ga Atomen und As
2
Molekülen mit kristallinen GaAs Oberflächen
unter UHV Bedingungen untersuchten und so den konzeptionellen Grundstein zur
Molekularstrahlepitaxie legten. III/V MBE Anlagen basieren auf dem Prinzip, dass
hochreine Materialien in Effusionszellen
2
verdampft oder sublimiert werden und als
gerichteter Strahl auf ein ebenfalls geheiztes Substrat gelenkt werden. Dabei befinden
sich die Moleküle des Stahls und das Substrat nicht im thermischen Gleichgewicht,
vielmehr ist das Kristallwachstum ein kinetischer Vorgang. Das Ein- und Abschal-
ten des Molekülstrahls erfolgt im einfachsten Fall durch Tantal-Blechklappen (engl.
shutter), die die Austrittsöffnung der Effusionszellen verschließen bzw. frei geben.
Die Achse des Molekühlstrahls weicht üblicherweise 40
◦
−45
◦
von der Flächennorma-
le des Substrates ab. Die Wachstumsgeschwindigkeit wird durch die Bereitstellung
der Gruppe III Elemente kontrolliert. Gruppe V Elemente werden in der Regel im
Überfluss angeboten, da deren Einbau in die Kristallstruktur stets die Adsorption
eines Gruppe III Elements vorausgegangen sein muss. Die Bereitstellung von UHV
Bedingungen im Volumen zwischen Effusionszellen und Substrat ist aus zweierlei
2
Zur Verdampfung von Gruppe IV Elementen wie Silizium oder Germanium oder Gruppe II
Elemente wie Hafnium oder Lanthan kommen in der Regel Elektronenstrahlverdampfer zum Ein-
satz. Für die Bereitstellung von Nichtmetallen wie atomarem Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff
werden Plasmaquellen verwendet.

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3.1. Molekularstrahlepitaxie
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Hinsicht notwendig. Zum einen soll der Molekühlstahl weitgehend unabgelenkt zum
Substrat gelangen, weshalb die mittlere freie Weglänge der Teilchen mindestens so
groß sein muss wie der Kammerdurchmesser. Bei einem As Arbeitsdruck von et-
wa 1 × 10
−6
mbar beträgt die mittlere freie Weglänge jedoch schon ca. 100 m. Es
existiert jedoch ein zweiter limitierender Faktor, der einen möglichst geringen Hin-
tergrunddruck erfordert. Die Bedeckungszeit, also die Zeit in der sich eine Monolage
des Restgases in der Kammer auf dem ungeheizten Substrat abgesetzt hat, beträgt
bei einem Hintergrunddruck von 10
−6
mbar weniger als 10 s. Dies würde zu einem
massiven Einbau von Verunreinigungen in den Kristall führen, dessen kontrolliertes
Wachstum mit einer Geschwindigkeit von etwa einer Monolage pro Sekunde von
statten geht. Kristallwachstum von hoher Qualität kann folglich erst gewährleis-
tet werden, wenn Bedeckungszeiten von mehreren Stunden, also Hintergrunddrücke
kleiner10
−9
mbar erreicht werden
3
. Prinzipiell werden drei Modi des Kristallwachs-
tums unterschieden. Der Frank van der Merwe Prozess beschreibt ein sukzessives
Wachstum einzelner Schichten. Das Stranski-Krastanov Wachstum ist charakteri-
siert durch ein anfängliches Schichtwachstum, gefolgt von einer Nukleierung und an-
schließendem 3D Wachstum. Der Volmer-Weber Prozess beschreibt schließlich das
sofortige 3-dimensionale Wachstum auf dem blanken Substrat [62]. Die einzelnen
Wachstumsmodi können durch die Wahl der Wachstumsparameter für das jeweili-
ge System eingestellt werden. Zum Wachstum von GaAs/AlGaAs Heterostrukturen
mit 2D-Transportkanälen für hochbewegliche Ladungsträger findet ausschließlich der
Frank van der Merwe Modus Anwendung.
Aufbau und Besonderheiten der EPI Gen II
Die für diese Arbeit verwendete MBE Anlage ist ein modifiziertes Gen-II System
der Firma Veeco und besteht aus zwei unabhängig voneinander betriebenen MBE
Kammern, welche durch einen Transferkanal so miteinander verbunden sind, dass
Proben unter UHV Bedingungen zwischen den Kammern ausgetauscht werden kön-
nen. Eine detaillierte Beschreibung zu den technischen Einzelheiten kann [63] ent-
nommen werden. Die in Abbildung 3.1 rechts dargestellte MBE-Kammer wird am
Lehrstuhl als Spintronik-Kammer bezeichnet, da diese zusätzlich zu den allgemein
üblichen III/V Effusions- und Dotierquellen mit einer Manganquelle für das Wachs-
tum magnetisch dotierter Halbleiterschichten ausgestattet ist. Einen Überblick zum
aktuellen Stand der Forschung im Bereich von ferromagnetischen Halbleitern und
den Einsatzmöglichkeiten der Spintronik-Kammer kann [27] entnommen werden. Die
linksseitige MBE Kammer wird am Lehrstuhl als Hochbeweglichkeits- (engl. high-
mobility) Kammer bezeichnet, da diese speziell für die Herstellung hochbeweglicher
2DEGs modifiziert wurde.
3
Moderne MBE Anlagen erreichen Hintergrunddrücke kleiner 10
−12
mbar. Dies entspricht einer
mittleren freien Weglänge von 10000 km und Bedeckungszeiten von über 100 Tagen.

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