Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

3.1. Molekularstrahlepitaxie
39
gehend verzichtet werden. Eine Alternative stellen Filamentquellen dar, welche im
Folgenden beschrieben werden.
Kohlenstoff Filamentquelle
Filamentquellen basieren auf dem Prinzip des direkten resistiven Heizens des zu
sublimierenden Materials. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Dotiermateria-
lien, da diese in äußerst geringeren Mengen benötigt werden, jedoch die Sublimation
des Materials aus dem Filament dieses selbst verbraucht. Silizium-Filamentquellen
werden in Hochbeweglichkeits-Kammern fast standardmäßig für die Dotierung ein-
gesetzt. Als Filamentmaterial kann ein hochreiner Silizium-Wafer verwendet werden.
Die von uns verwendete Silizium-Dotierquelle ist ein Eigenbau, deren Funktionsweise
in [63] beschrieben wird. Die in dieser Arbeit vorgestellte Kohlenstoff-Filamentquelle
für die p-Dotierung von (001) und (110) orientierten GaAs Schichten ist eine modi-
fizierte, kommerziell vertriebene SUKO-D
5
. Die Modifikation besteht in einer Ver-
ringerung des thermischen Eintrags auf die Umgebung und einer Überarbeitung der
Filament-Formgebung zur Verlängerung der Lebensdauer gegenüber dem Vorgänger-
model. Graphit weist selbst bei Temperaturen über 1000
◦
C nur einen sehr geringen
a
b
d
c
PG top plate
PG screws
PG filament
PG shielding 
tube
PG contacts
PG base plate
Ta parts
Abbildung 3.2: a) Suko-D 40 montiert auf CF Flansch mit Durchführungen für Kühl-
wasser, Strom und Thermoelement; b) Filament und Bauteile für unmittelbare heiße Um-
gebung des Filaments aus pyrolytischem Graphit (PG); c) Blick in die SUKO -D 40 bei
Betriebsleistung; d) Skizze der heißen Zone der SUKO-D 40 mit Übersicht über die Ferti-
gungsmaterialien (die Bilder sind der Webseite der Herstellerfirma entnommen.).
Dampfdruck auf. Um einen Druckbereich von 10
−4
Torr zu erreichen, welcher für eine
5
Hergestellt und vertrieben von Dr. Eberl MBE -Komponenten GmbH, Gutenbergstrasse 8,
71263 Weil der Stadt, Deutschland.

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
effiziente Dotierung sinnvoll ist, sind Filamenttemperaturen zwischen 2000
◦
C und
2300
◦
C nötig (vergleiche z.B. Dampfdruckkurve aus [66]). Diese außergewöhnlich
hohen Temperaturen stellen eine große Herausforderung an die Konstruktion einer
geeigneten Sublimationsquelle dar. Das aus pyrolytischem Graphit (PG) gefertigte,
mäanderförmige Filament der SUKO-D (Abbildung 3.2c) wird nach Herstelleranga-
ben im Betrieb etwa 2200
◦
C heiß [68]. Um ein starkes Ausgasen der umliegenden
Komponenten zu vermeiden, sind auch die Bauteile in unmittelbarer Nähe des Fila-
ments (heiße Zone) aus PG gefertigt. In Abbildung 3.2d) ist zu erkennen, dass dies
sowohl die Komponenten zur Befestigung und Kontaktierung des Filaments, als auch
das Hitzeschild und die Blende betrifft. Der Bereich unmittelbar hinter der heißen
Zone ist aus Tantal gefertigt. Edelstahl als Material kommt erst im flanschnahen
Bereich der SUKO-D und als äußerer Hitzeschild, welchem eine Wasserkühlung vor-
geschaltet ist zum Einsatz. Auch die elektrischen Zuleitungen sind Wasser gekühlt,
um eine Überhitzung der Kontakte zu vermeiden. Dies erlaubt schneller Änderung
der elektrischen Leistung am Filament und somit eine schnelle Änderung der Fluss-
rate des sublimierten Kohlenstoff.
Aufgrund dieser konstruktiven Besonderheit kann die SUKO-D binnen 85 Sekun-
den auf Betriebstemperatur gefahren werden. Die für eine Dotierkonzentration von
1 × 10
18
cm
−3
(bei einer üblichen Wachstumsgeschwindigkeit von 1 µm/h) notwen-
dige Leistung entspricht etwa 360 W einschließlich der parasitären Dissipation in
den Zuleitungen. Dies bring den Vorteil mit sich, dass die SUKO-D nicht während
des gesamten Wachstumsprozesses auf Betriebstemperatur gehalten werden muss,
was einen massiven thermischen Eintrag in den Wachstumsreaktor mit sich brin-
gen würde, sondern gezielt zu den einzelnen Dotierschritten hochgefahren werden
kann. Während der übrigen Zeit kann die Zelle kalt gehalten werden. Bisher wur-
den in III/V MBE Systemen zur Dotierung mit Kohlenstoff Gasquellen eingesetzt,
welche üblicherweise Tetrabrommethan (CBr
4
), auch als Tetrabromkohlenstoff be-
kannt thermisch gespalten bereitstellen [69]. Gasquellen haben den Nachteil, dass
die Breitstellung der gesundheitsschädlichen Ausgangsstoffe eine komplexe Gasin-
stallation außerhalb der MBE voraussetzt, welche durchaus anfällig für Lecks oder
Verunreinigungen sein kann. Zum anderen ist in MBE Systeme mit Gasquellen
ein Memory-Effekt zu beobachten [70], der das anschliesende Wachstum nicht p-
dotierter Proben stark beeinträchtigt. CBr
4
Quellen werden üblicherweise eingesetzt,
wenn hohe Akzeptor-Konzentrationen von 1×10
20
cm
−3
benötigt werden, finden aber
keinen Einsatz beim Wachstum von hochbeweglichen Proben. Ein weiterer Kohlen-
stoff Zelltyp wurde von Reuter et al. [71] vorgestellt. Hierbei handelt es sich um
die Bauart eines Elektronenstrahlverdampfers, mit dessen Hilfe 2DHGs mit einer 1
K-Beweglichkeit von 1.6 × 10
5
cm
2
/Vs hergestellt werden konnten. Aus den Publi-
kationen dieser Gruppe ist leider nicht abzulesen, durch welchen Mechanismus die
Beweglichkeit der Ladungsträger limitiert ist. Deshalb ist auch keine Aussage über
die Leistungsfähigkeit des verwendeten Zelldesigns zu treffen.

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3.1. Molekularstrahlepitaxie
41
Substratvorbereitung und Wachstumsparameter
Die Gewährleistung der Qualität beim Wachstum hochbeweglicher Heterostrukturen
beginnt bereits außerhalb der MBE Kammer mit der Vorbereitung der Substrate.
So genannte epi-ready
6
GaAs Wafer können von verschiedenen Herstellern bezogen
werden. Beim Transfer dieser vorbehandelten Substrate in die MBE Anlage ist dar-
auf zu achten, dass die Oberfläche möglichst frei von Verunreinigungen und Defekten
bleibt, da diese Keime für dreidimensionales Wachstum darstellen. Das Auflegen der
a
b
Abbildung 3.3: a) Substrathalter aus Tantal mit einer Benetzungsschicht aus Gallium zur
adhäsiven und Wärme koppelnden Bindung des GaAs Wafers; b) Transferwagen vor geöff-
neter Schleusentür auf einer Laufschiene. Die Substrathalter sind mit Bajonettverschlüssen
in den Aufnahmen des Wagens befestigt.
Substrate auf einen mit Gallium benetzten Tantal-Probenhalter (Abbildung 3.3a) er-
folgt deshalb in möglichst staubfreier Umgebung, welche in unserem Fall durch ein
Laminar-Flow
7
Kabinett über dem Tisch an der Schleuse gewährleistet wird. Die
Substrate werden nur mit ausschließlich für diesen Zweck bestimmten Metallpin-
zetten und nur entlang eines Außenrings mit einer Breite von etwa 2 mm berührt.
Auch die Probenhalter werden zur Vermeidung von Kontamination ausschließlich
mit einem speziellen, gereinigten Werkzeug in den Transferwagen (Abbildungen 3.3
und 3.1-19) eingesetzt. Die geöffnete Schleuse wird mit Argon relativ zur Umge-
bung auf Überdruck gehalten, um ein Kontamination der Schleusenwände durch die
Umgebungsluft zu minimieren. In der Ladeschleuse werden die Substrate, aber auch
die mit Luft in Berührung gekommenen Probenhalter und der Transferwagen für
mehrere Stunden mit Halogenlampen auf eine Temperatur von deutlich über 100
◦
C
6
epi-ready: engl. eine vom Hersteller für das epitaktische Wachstum vorbereitete Substratschei-
be. Die Präparation schließt eine Behandlung mit organischen und oxidierenden Lösungsmittelln
mit ein an deren Ende stets ein Ätzschritt zur Erzeugung eines relativ stabilen, natürlichen Oxids
zum Schutz der Oberfläche steht.
7
engl. laminarer Fluss

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