Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0
20
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80
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120
140
160
180
200
220
240
R
x
x
(
W
)
B (mT)
11
-2
p (10  cm ) 
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
F
T
(a
.u
.)
p
tot
p
2
p
1
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
-100
0
100
R
x
x
-
R
x
x
(0
)
(
W
)
B
-1
 (1/T)
 
a)
b)
c)
Abbildung 3.12: Schwebungen in SdH-Oszillationen (a) können, aufgetragen über das
inverse B-Feld (b) mittels Fourieranalyse in Ladungsträgerkonzentrationen (c) der an der
Schwebung beteiligter Einzelbänder zerlegt werden.
wird dann über 1/B aufgetragen (Abbildung 3.12b)) und mit 2
n
Punkten konstanten
Abstands zueinander interpoliert. Für alle in dieser Arbeit durchgeführten Analysen
wurden 2
12
Punkte gewählt. Die Fouriertransformation wird dann mit einem FFT-
Algorithmus unter Anwendung einer Hanning-Fenster Funktion durchgeführt. Nach
dem semiklassischen Argument von Onsager [82] kann aus der Frequenz einer SdH
Oszillation f
SdH
nur unter Zuhilfenahme der Einheitsladung e und dem Plankschen
Wirkungsquantum h nach
p =
e
h
f
SdH
(3.1)
die Ladungsträgerkonzentration p eines Systems berechnet werden. In Abbildung
3.12c) sehen wir das so erhaltene Fourier-Spektrum der Beispielprobe. Den drei
deutlich sichtbaren Maxima können die Ladungsträgerkonzentrationen p
1
, p
2
und
p
tot
zuzuordnen werden, wobei p
1
und p
2
die Dichten der Einzellbänder sind, die
summiert die Gesamtdichte des Systems p
tot
ergeben. Um unterschiedliche Proben
quantitativ vergleichen zu können, wird in der Literatur [83] ein Ladungsträger-
Ungleichgewicht
12
∆p definiert:
∆p =
p
1
− p
2
p
tot
.
(3.2)
12
engl.: carrier imbalance

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Kapitel 4
Wachstum hochbeweglicher 2DHG
Strukturen
Ziel dieser Arbeit ist es, die Beweglichkeiten von Löchern in 2DHG Strukturen des
GaAs/AlGaAs Heterosystems entscheidend zu verbessern. Dies wird erreicht durch
die bis dato nicht übliche Bereitstellung von Kohlenstoff als Dotiermaterial aus ei-
ner hochreinen Filamentquelle und der sequentiellen Optimierung von Strukturde-
sign und Wachstumsparametern. Kohlenstoff als Dotiermaterial bietet eine Vielzahl
von Vorteilen gegenüber konventionellen Akzeptor-Materialien, welche wie im Fall
von Beryllium sehr hohe Diffusionskonstanten aufweisen, oder wie bei Silizium die
Auswahl der Substratorientierung stark einschränken. Eine Struktur gilt in Hin-
blick auf Ladungsträgerbeweglichkeit als optimiert, wenn alle strukturell bedingt
Streuprozesse (IR und RI, siehe Kapitel2.3) eliminiert sind und Streuung nur an in
den Kristall eingebauten Verunreinigungen stattfindet (BI). Diese sind durch un-
erwünschte Materialien in den Ausgangselementen oder durch das Ausgasen heißer
Systemkomponenten trotz UHV-Bedingungen im Volumen des Wachstumsreaktors
unvermeidbar und können nur auf ein Minimum reduziert werden.
Die Erzeugung atomaren Kohlenstoffs durch resistives Heizen eines PG-Filaments ist
hier ein entscheidender Beitrag zur Verringerung jener quellmaterial-bedingten Kris-
tallverunreinigungen. Natürlich werden qualitative Verbesserungen nur einer Effusi-
onszelle des MBE-Systems nur dann in den Strukturen messbar, wenn die Qualität
der übrigen Komponenten und somit die Güte
1
des Hintergrunddruckes sehr hoch
ist. Dieser Parameter ist nicht konstant, sondern verändert sich mit der Historie
der Kammer. Langanhaltendes ungestörtes Abpumpen der MBE-Kammer verrin-
gert die Partialdrücke der nicht erwünschten Restgase. Jedes Öffnen der Kammer,
um z.B. Quellmaterialien nachzufüllen oder Reparaturen an Komponenten vorzu-
1
Es wird hier bewusst nicht vom absoluten Druck des Hintergrundgases gesprochen, da dessen
Zusammensetzung aus verschiedenen Gasarten von ebenso großer Bedeutung ist
59

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60
Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
nehmen, birgt das Risiko Verunreinigungen ins System einzubringen. Um den Zu-
stand des MBE-Systems zu quantifizieren, werden regelmäßig optimierte Referenz-
strukturen gewachsen, deren Elektronenbeweglichkeit als Maß für die Qualität des
Systems dient. Die Entwicklung der Beweglichkeit solcher Referenzstrukturen nach
einer Kammeröffnung ist z.B. in Referenz [84] publiziert. Es werden im Folgenden
deshalb nur Proben oder Probenserien miteinander in Bezug gestellt, welche zeitnah
ohne dazwischen liegende Eingriffe in das MBE System hergestellt werden konnten
und die Beweglichkeiten der gewachsenen Referenzstrukturen (MDSI-2DEG) wäh-
rend dieses Zeitraums konstant über 1.3 × 10
7
cm
2
/Vs lagen.
Im Einzelnen wird in den nachfolgenden Kapiteln auf das Wachstum und die Cha-
rakterisierung verschiedener hochbeweglicher 2DHG Strukturen eingegangen, welche
auf semiisolierenden GaAs Substraten unterschiedlicher Orientierung und Geome-
trie hergestellt wurden. Kapitel 4.1 befasst sich mit der Bandstruktur-Optimierung
von beidseitig dotierten QW Proben in (001) Wachstumsrichtung, wobei der Fo-
kus auf der Bestimmung der idealen Schichtdicke für QW und Spacer sowie auf
den Symmetrieeigenschaften des QWs liegt. Kapitel 4.2 erläutert Maßnahmen zur
Optimierung von Wachstumsparametern am Beispiel von (001)-orientierten, einsei-
tig dotierten QW-Strukturen und erarbeitet die Rolle des Arsen-Flusses und den
Einfluss der Substrattemperatur T
sub
während des Dotiervorgangs auf die Qualität
der hergestellten Proben. In Kapitel 4.3 werden die aus den Vorkapiteln erlangten
Ergebnisse auf das Wachstum von (110)-orientierten MDSI-Strukturen übertragen.
wobei besonderes zu erwähnen ist, dass diese Strukturen nicht nur auf (110)-GaAs
Substraten, sondern auch auf ex situ präparierten Spaltflächen gewachsen wurden
4.1
Bandstruktur-Optimierung am Beispiel beidseitig-
dotierter Quantum Wells
Ein Grossteil der experimentellen Fortschritte in der Physik des Quantum-Hall-
Regimes in den letzten drei Dekaden wurde durch den kontinuierlichen Anstieg
der Ladungsträgerbeweglichkeiten in zwei-dimensionalen Heterostrukturen ausge-
löst. Während dieser Zeit stiegen die veröffentlichten Tieftemperatur Rekorde der
2D Elektronenbeweglichkeiten im GaAs/AlGaAs System um mehr als den Faktor 6
von 5 × 10
6
cm
2
/Vs, der Marke von Gossard und English [6] aus dem Jahre 1986
bis zum aktuell höchsten publizierten Wert von 31 × 10
6
cm
2
/Vs gemessen an einer
Probe aus dem Labor von Loren Pfeiffer [29]. Diese außerordentlich hohen Mobi-
litäten konnten ausnahmslos bei Transport in der (001)-orientierten Kristallebene
gemessen werden.
Seit der Herstellung und Charakterisierung des ersten modulations-dotierten 2DHGs
im GaAs/AlGaAs Heterosystem durch Störmer und Tsang 1980 [11] wurden auch

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