Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
erhitzt, um physisorbierte, gasförmige Verunreinigungen wie H
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O und CO zu desor-
bieren. Im Anschluss an den Ladevorgang werden die Substrate auf einer Heizstation
(Abbildung 3.3-18) im Transferkanal bei einer Temperatur von etwa 400
◦
C in einem
zweiten Schritt ausgegast. Das natürliche Oxid zum Schutz der Substratoberfläche
wird erst in einem dritten Schritt innerhalb der Hauptkammer des MBE Systems
bei einer Temperatur von 581
◦
C abgedampft. Dieser dreistufige Reinigungsprozess
dient zur Vermeidung der Kontamination der Hauptkammer und der Gewährleis-
tung einer möglichst reinen Substratoberfläche.
Die für das Wachstum von GaAs und AlGaAs entscheidenden Parameter sind die
Wachstumsrate r
g
in ML/s (Monolagen/Sekunde), bestimmt durch die Summe der
Flussraten der Gruppe III Elemente Gallium und Aluminium, den Arsen Druck
BEP
As
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, und die Substrattemperatur T
sub
. Diese drei Parameter sind für verschie-
dene Substratorientierungen sehr unterschiedlich und stark voneinander abhängig.
GaAs kann im Prinzip auf (001) Substraten bei einer T
sub
ab 92
◦
C homoepitaktisch
gewachsen werden [72], [73], jedoch mit erheblichen Einschränkungen an Qualität
in Bezug auf Kristallqualität, Morphologie und Leitfähigkeit. Im Folgenden soll nur
auf den Parameterraum eingegangen werden, welcher für das Wachstum hochbeweg-
licher GaAs/AlGaAs Heterostrukturen geeignet ist.
Bei der Wahl der Wachstumsrate ist folgendes zu berücksichtigen. Je langsamer
gewachsen wird, umso mehr Fremdmoleküle der Hintergrundatmosphäre der Kam-
mer können sich in die Struktur einbauen. Auf der anderen Seite benötigen kleinere
Wachstumsraten auch geringere Zelltemperturen, wodurch weniger Verunreinigun-
gen aus den Zellen evaporiert werden. Das Angebot an Arsen nimmt keinen Einfluss
auf die Wachstumsrate. Ist der Fluss der As-Molekühle jedoch geringer als der der
Gruppe III Elemente, bilden sich während des Wachstums Gallium Tröpfchen. Ist
der Arsen Fluss gleich dem Fluss der Gruppe III Elemente spricht man von stöchio-
metrischem Wachstum. In der Regel wird der BEP
As
jedoch beim Wachstum hoch-
beweglicher Proben so eingestellt, dass ein Überangebot an As für das Wachstum
zur Verfügung steht. T
sub
wird für das Wachstum von Proben mit hochbeweglichen
Ladungsträgern meist in der Nähe des oberen Limits gewählt, um die Beweglich-
keit der Gruppe III Elemente auf der Substratoberfläche vor deren Einbau in die
Kristallstruktur möglichst hoch zu halten. Dies begünstigt ein möglichst defektar-
mes Wachstum, da die Gruppe III Atome maximale Bewegungsfreiheit haben um
freie Gitterplätze zu erreichen. Das obere Limit für die Wahl von T
sub
ist durch
die Sublimationstemperatur von Ga aus dem GaAs Kristall gegeben und liegt et-
wa bei 650
◦
C. Ein Wachstum bei noch höheren Substrattemperaturen ist zwar mit
entsprechend hohem As Gegendruck möglich, führt aber zu einer deutlichen Reduk-
tion der Elektronenbeweglichkeit in normalen Strukturen, in denen das 2DEG an de
GaAs/AlGaAs Grenzschicht lokalisiert ist [74]. Im Gegensatz dazu stehen so genann-
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beam equivalent pressure, engl. Partialdruck des Molekülstrahls am Ort der Probe

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3.2. Prozessierung
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te invertierte Strukturen, in welchen sich das 2DEG an AlGaAs/GaAs Grenzschich-
ten befindet. Substrattemperaturen bis 700
◦
C während des Wachstums steigern die
Beweglichkeit in diesen invertierten Heterostrukturen [74]. Für das Wachstum der
beidseitig dotierten QW Strukturen, in welchem beide Grenzschichten durch die Lo-
kalisierung des 2D-Ladungsträgergases im Zentrum des QWs von Bedeutung sind,
wurden im Rahmen dieser Arbeit die Wachstumsparameter, so genannte normale
Strukturen verwendet.
Die am Lehrstuhl Wegscheider für das Wachstum hochbeweglicher 2DEGs üblich
verwendeten und von der Literatur [74] motivierten Parameter sind für (001)-orientierte
Substrate r
g
∼ 1 ML/s, BEP
As
= (5.7 − 8.5) × 10
−6
Torr und T
sub
= 620
◦
C −650
◦
C.
Für das Wachstum auf (110)-orientierten Substraten sind die entsprechenden Pa-
rameter r
g
∼ 0.5 ML/s, BEP
As
= (1.8 − 2.5) × 10
−5
Torr und T
sub
= 480
◦
C [75]
und [76]. Für das Wachstum auf (110)- und (1-10)-orientierten Spaltflächen werden
ebenfalls bereits für das Wachstum auf (110)- Subtsraten erwähnte Parameter ver-
wendet.
Prinzipiell hat die Art des Dotierstoffes keinen vorrangigen Einfluss auf die Wahl
der Wachstumsparameter. Deshalb wird in dieser Arbeit das Wachstum von 2DHGs
dem von 2DEGs gleichgesetzt. Zu berücksichtigen sind jedoch der große thermische
Eintrag auf das Substrat durch die sehr heiße Kohlenstoffquelle, welchem durch eine
Anpassung von T
sub
zu begegnen ist und die Einbaueffizienz von Kohlenstoff in Ab-
hängigkeit des Arsenangebots. Beide Einflüsse werden im Kapitel 4.2 zur Struktur-
und Parameteroptimierung diskutiert.
3.2
Prozessierung
Die in der MBE überwachsenen Wafer werden zur elektrischen Charakterisierung in
Probenstücke von ca. 5 × 5 mm vereinzelt. Dies geschieht mit Hilfe einer Handritz-
nadel, mit der in Richtung der jeweiligen Hauptbruchachsen am Rand des Wafers
ein etwa 3 mm langer Ritz angebracht wird. Durch Ansetzen zweier Metallpinzetten
links und rechts des Ritzes kann der Wafer mühelos entlang der Hauptrichtungen ge-
spalten werden. Die Hauptbruchkanten eines (001)-orientierten Wafer verlaufen ent-
lang der orthogonalen unpolaren [110] und [110] Richtungen. Bei (110)-orientierten
Wafern besteht die Schwierigkeit, dass nur die unpolare [110] als Bruchkante zu-
gänglich ist und orthogonal dazu die polare [100] Achse verläuft. Um entlang dieser
einen Wafer zu spalten muss der Ritz über die gesamte Waferbreite und mit erhöhtem
Kraftaufwand angebracht werden. Für Probenstücke welche zur Weiterverarbeitung
ohne Gate vorbereitet werden ist es ausreichend, wenn die Kantenlängen der Proben-
stücke eine Toleranz von ± 1 mm einhalten. Probenstücke die zum Aufdampfen einer
Gate-Elektrode vorbereitet werden, müssen ein relativ exaktes Maß von 4.9 × 4.9
mm mit einer Toleranz von ± 0.1 mm aufweisen, damit die zur Verfügung stehenden

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