Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs



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tung einer sehr dünnen Halbleiterschicht in die kristalline Struktur eines andersar-
tigen Halbleiters kann die Voraussetzung räumlicher Einschränkung in eine der drei
Raumrichtungen für diese eingeschlossene Schicht erfüllen. Ist die Schichtfolge dieser
Struktur derart gestaltet, dass die eingebettete Schicht elektrisch leitend ist während
die umgebenden Schichten elektrisch isolieren, unterliegen die Ladungsträger eines
Messstroms in diesem eingeschlossenen, leitfähigem Kanal den Regeln quantenphy-
sikalischer Einflüsse. Es ist ein Grundpfeiler der Halbleitertechnik die Leitfähigkeit
von Halbleitermaterialien durch deren Dotierung mit Fremdatomen kontrolliert ein-
stellen zu können. Die Freiheit der Ladungsträger sich zu bewegen, wird in einem
derartigen System auf die zwei verbleibenden Dimensionen beschränkt. Entlang der
dritten Dimension ist kein Ladungstransport möglich. Ladungsträger können auf-
grund dieser Beschränkung auf eine zweidimensionale Umgebung bezüglich ihrer
Energie und ihres Impulses nur mehr quantisierte Zustände einnehmen. Derartige
Quantensysteme werden als zweidimensionale Elektronen- oder Lochgase (2DEG /
2DHG) bezeichnet, je nach Art der am Stromfluss beteiligten Ladungsträger. Was
ist ein Loch? Ein Loch ist da, wo etwas anderes nicht ist. Für den Transport von
Strom durch einen Halbleiter heißt das, dass fast alle zur Verfügung stehenden Quan-
tenzustände bereits mit Elektronen besetzt sind. Die wenig verbleibenden Zustände
ohne Elektron werden als Löcher bezeichnet. Diese unbesetzten Zustände sind Trä-
ger einer positiven Einheitsladung und können sich ebenso wie Elektronen durch
den leitfähigen Halbleiter bewegen. Man spricht dann von Lochleitung.
Um die bei Untersuchungen dieser 2D-Systeme störenden Einflüsse der temperatur-
bedingten Eigenbewegung der Kristallatome zu minimieren, werden die Experimente
bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von−273.15

C, oder 0 Kelvin (K)
ausgeführt. Verbleibende störende Einflüsse auf die Bewegungsfreiheit der Ladungs-
träger im leitenden Quantenkanal können dann nur noch elektrostatischer Natur
sein und sind auf ionisierte Fremdatome oder Kristallfehler zurückführbar. Die in-
teressante Fragestellung lautet: Wie sieht Ladungstransport in einem 2D-System
prinzipiell aus, und was beeinflusst die freie Bewegung der Ladungsträger?
Die Beweglichkeit µ von Ladungsträgern ist eine charakteristische Eigenschaft von
Halbleitersystemen und dient als vergleichbares Maß für den Transport von Elek-
tronen und Löchern durch den Kristall. Ein Verbindungshalbleiter mit besonders
hoher Beweglichkeit ist Galliumarsenid (GaAs). In Verbindung mit dem ternären
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) als isolierendes Barriere-Material, können 2D-
Halbleiterheterostrukturen mit den höchsten bislang bei tiefen Temperaturen ge-
messenen Ladungsträgerbeweglichkeiten hergestellt werden.
Die kontrollierbare Herstellung von 2D-Strukturen aus Verbindungshalbleitern mit
präziser Schichtabfolge und -Geometrie hatte ihren entscheidenden Durchbruch mit
der Entwicklung der Molekularstrahlepitaxie (MBE). Das Verfahren wurde von John
R. Arthur Jr. bei den Bell Laboratories in Murray Hill (New Jersey, USA) ent-
wickelt und erstmalig im Jahre 1968 veröffentlicht [2] und auch patentiert. Nach


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Kapitel 1. Einleitung
Eintritt in die Arbeitsgruppe Arthurs, wirkte Alfred Y. Cho in den Folgejahren
entscheidend an der Weiterentwicklung des MBE-Verfahrens mit [3]. Seither findet
die Herstellung von Halbleiterstrukturen mit MBE eine breite Anwendung in In-
dustrie und Forschung. So werden heute mittels MBE vor allem Laser-Bauelemente
und Hochfrequenz-Transistoren industriell produziert. Im Bereich der Grundlagen-
forschung wurden beachtliche Leistungen vor allem durch den Nobelpreis für die
Entdeckung des fraktionalen Quantum-Hall-Effekts in GaAs/AlGaAs Heterostruk-
turen honoriert [4]. Die Anwendung des MBE-Verfahren führt durch die nahezu
perfekte Gitteranpassung von GaAs und AlGaAs zu besonders hohen Strukturqua-
litäten in diesem Materialsystem. Die derzeit höchste Beweglichkeit für Elektronen
in 2DEGs wurde mit µ = 35 × 10
6
cm
2
/Vs von L. Pfeiffer veröffentlicht [5]. Dies re-
präsentiert eine Steigerung um den Faktor 6 gegenüber den besten Beweglichkeiten,
die in den 1980er Jahren erzielt werden konnten (siehe z.B. [6]). 2DEGs mit µ > 10
7
cm
2
/Vs lassen außergewöhnliche Beobachtungen in Magnetotransportuntersuchun-
gen zu. Besonders zu erwähnen sind Mikrowellen-induzierte Null-Widerstands Mi-
nima in Shubnikov-de-Haas Oszillationen (SdH) [7], die Formierung von Stripe Pha-
ses bei hohen Füllfaktoren [8], die exzitonische Kondensation in Bilagen-Systemen
[9] sowie das auftreten ablaufinvarianter Merkmale in der Umgebung des Füllfak-
tors ν = 5/2 [10]. Seit dem ersten Nachweis eines 2DHGs in (001)-orientierten
GaAs/AlGaAs Heterostrukturen durch H. L. Störmer und W.- T. Tsang im Jah-
re 1980 [11] konnten Beweglichkeitssteigerungen von Löchern überwiegend in der
(311)A-Kristallrichtung erzielt werden [12]. Die Beweglichkeiten der Löcher in der
(001)-Ebene werden weitgehend durch dominante Diffusions- und Segregationseffek-
te des bislang zur Verfügung stehenden Dotiermaterials Beryllium limitiert. Silizi-
um mit seinen aus 2DEG-Strukturen bekannten, hervorragenden Einbauverhalten
in GaAs kann in der (311)A-Ebene als Akzeptor wirken. Anhand der so hergestell-
ten 2DHGs konnte ein Großteil der oben erwähnten Phänomene auch für Lochgase
bestätigt werden [13, 14, 15]. Die Transportachsen der (311)A-Ebene unterliegen
jedoch dem Nachteil großer Anisotropie-Effekte bezüglich der Mobilitäten, die nicht
auf die Anisotropie des Valenzbandes, sondern auf anisotrope Streuprozesse an den
Grenzflächen der Einschlusspotentiale zurückgeführt werden. Mit der erfolgreichen
Einführung von Kohlenstoff als Akzeptor für die (001)- und (110)-Ebenen hochbe-
weglicher GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen werden bisher bestehende Limitierungen
in der Beweglichkeit von Löchern und in der Wahl der Transportebenen im Rah-
men dieser Arbeit aufgehoben. In den folgenden Kapiteln werden die Methoden zum
Wachstum und die Charakterisierung von Kohlenstoff-dotierten 2DHGs in den eben
genannten Transportebenen ausführlich beschrieben.
Vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die zweidimensionale hochbeweglichen Lochssys-
teme mittels Molekularstrahlepitaxie auf (001)-orientierten GaAs Substarten her-
zustellen, zu optimieren und zu charakterisieren. Es wird gezeigt, dass die Herstel-
lung von Kohlenstoff-dotierten 2DHG-Strukturen erfolgreich auf die unpolare (110)-


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