Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

3.2. Prozessierung
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müssen lediglich die Anfang- und Endkoordinaten jeder Linie und ein Startpunkt
für das zu schreibende Muster übergeben werden.
Die in dieser Arbeit für Magnetotransportuntersuchungen verwendeten Hallbar-
strukturen weisen ein Längen zu Breiten Verhältnis von 5 auf. Die Zone zwischen
den Potentialabgriffen ist in der Regel 2 mm lang und 0.4 mm breit. Nach der Struk-
turierung mit dem Ritzer werden die Proben durch Kochen in Aceton vom Wachs
des Objektträgers gelöst und mit Isopropanol gespült. Anschließend werden auf den
etwa 1 mm breiten Kontaktflächen Lötkontakte aufgebracht und verdrahtet.
Ohmsche Kontakte
An der Grenzfläche von Metallen und Halbleitern bildet sich im Halbleiter eine
Schottky Barriere aus. Um trotzdem elektrische Metall-Kontakte mit ohmscher Cha-
rakteristik herstellen zu können, werden Metall-Gemische auf den Halbleiter aufge-
bracht. Dieses besteht aus einem Träger-Metall und einem solchen welches zur ge-
wünschten p- oder n-Dotierung des jeweiligen Halbleiters eingesetzt werden kann. Im
Fall von p-dotierten GaAs/AlGaAs 2DHGs verwendet man Indium als Träger- und
Zink als Dotier-Material. Durch Einlegieren des Gemisches entsteht in der unmittel-
baren Umgebung des Kontaktes ein übermäßig stark dotierter Bereich im Halbleiter,
wodurch die Breite der Barriere hinreichend reduziert wird, so dass zumindest für
kleine Ströme ein ohmsches Verhalten zu erwarten ist.
Die für diese Arbeit gefertigten Kontakte folgen alle dem gleichen Schema, unab-
hängig von der gewählten Messgeometrie. Alle Kontaktfelder sind hinreichend groß,
dass mit einem Lötkolben unter dem Mikroskop Material aufgebracht und verdrah-
tet werden kann. Vor dem Aufbringen des Lötguts wird, sofern nicht schon beim
automatisierten Ritzen von Strukturen geschehen, das Kontaktfeld mit einer Dia-
mantnadel leicht angeritzt, um zuverlässig den Bereich der Randkanäle zu kontaktie-
ren, wodurch so genannte Corbino-Kontakte vermieden werden sollen (siehe Kapitel
3.4). Das aufgebrachte Metallgemisch besteht zu 4% (Massenanteil) aus Zink und zu
96% aus Indium. Dieses mit einer Feinwaage dosierte und mit dem heißen Lötkolben
vermengte Gemisch ergab Kontakte mit reproduzierbar ohmscher Charakteristik für
Ströme bis 10 µA, was bei typischen Messströme von 10 nA bis 1 µA ausreichend ist.
Bei Versuchen mit höheren- (5%) oder geringeren- (3%) Zinkanteil in der Mischung
setzte das nichtohmsche Verhalten bereits bei wesentlich geringeren Messströmen
ein.
Das Legieren der Kontakte erfolgt in einem speziell für diesen Zweck am Lehrstuhl
gefertigten Legierofen. Dieser besteht aus einer Heizplatte in einem Rezipienten,
welcher über eine Membranpumpe evakuiert und über einen Gaseinlass mit For-
miergas gespült werden kann. Die Proben werden nach mehreren Spülzyklen zum
Gasaustausch unter Formiergas Atmosphäre (∼ 850 mbar) innerhalb von 60 s auf
380
◦
C erhitzt und weitere 60 s auf dieser Temperatur gehalten. Im Anschluss kühlt

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Kapitel 3. Experimentelle Methoden und Aufbauten
die Probe passiv durch Ausschalten der Heizung ab. Ein oberes Limit für Legier-
temperatur und -Zeit wird durch die starke Diffusion von Zink auf der Oberfläche
gegeben. Soll die Probe auf höhere Temperaturen erhitzt werden, muss die Legierzeit
entsprechend verkürzt werden, da sonst leitende Schichten zwischen den Kontakten
an der Oberfläche entstehen. Die oben gegebenen Parameter stellen ein im Rahmen
dieser Arbeit gefundenes Optimum dar.
Ist das Metallgemisch erfolgreich einlegiert, werden mit Pinzette und Lötkolben
Golddrähte auf den Kontaktfeldern angebracht. Im Anschluss wird das Probenstück
mit Silikonfett auf einen 8 Pin Dil-Sockel geklebt und die Golddrähte mit den Kon-
takten des Sockels verlötet. Ein typisches hochbewegliches 2DHG, wie in dieser Ar-
beit gefertigt, zeigt nach beschriebener Kontaktierung einen 2-Punkt Widerstand bei
Raumtemperatur von etwa 10 − 60kΩ. Proben mit höheren Widerständen können
als Ausschuss deklariert werden und sind nicht geeignet für zuverlässige Transport-
messungen.
3.3
Messaufbau
Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei verschiedene Tieftemperatur Messplätze für
die elektrische Charakterisierung der Proben und weiterführende Magnetotransport-
untersuchungen verwendet. Dabei unterscheiden sich die Aufbauten in der zur Ver-
fügung stehenden Kühlleistung und der Größe der erreichbaren magnetischen Feld-
stärken. Alle Aufbauten verbindet die Erzeugung hoher magnetischer Felder durch
supraleitende, durch heliumgekühlte Elektromagnete und die Kühlung der Probe
durch direktes Eintauchen in ein Bad von
4
He,
3
He oder einer Mischung der beiden
Isotope. Auf die Besonderheiten von Helium soll hier nicht im Detail eingegangen
werden diese, sind vielfach in der Literatur behandelt worden (siehe z.B. [27], [25]).
Kannenmessplatz
Der Kannenmessplatz (Abbildung 3.7) ist für die schnelle Grundcharakterisierung
von Proben in 8 Pin Dil-Sockeln optimiert. Das System besteht aus einem Proben-
raum mit veränderlicher Temperatur (VTI
10
) dessen Innenraum durch eine dop-
pelwandige, evakuierte Isolierschicht thermisch von der Umgebung entkoppelt ist.
Über ein Nadelventil ist dieser mit Reservoir mit flüssigem He verbunden. Um den
Probenraum ist eine Magnetspule integriert. Der VTI ist so konstruiert, dass es
vakuumdicht auf eine Standard-Helium Transportkanne montiert werden kann und
über eine Quetschverschraubung in des flüssige He in der Kanne abgesenkt werden
kann. Die so auf 4.2 K abgekühlte Magnetspule wird dadurch supraleitend und kann
Magnetfelder bis zu 6 T mit einer Änderungsrate von 2 T/min erzeugen.
10
engl. variable temperature insert

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