Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

4.1. Bandstruktur-Optimierung am Beispiel dsd-QWs
61
in der (001)-Ebene signifikante Beweglichkeitssteigerungen von Löchern erzielt, je-
doch waren Höchstwerte bis dato mit etwa 2.6 × 10
5
cm
2
/Vs [85] um den Faktor
120 kleiner als Rekordwerte von 2DEGs. Geht man von einer maximalen effekti-
ven Masse von m
∗
= 0.5 m
0
für Löcher aus, dürfte der Unterschied lediglich den
Faktor 7.5 betragen. Der Grund für die enorm reduzierte Beweglichkeit ist folg-
lich nicht ausschließlich in der Andersartigkeit der Ladungsträger zu finden. Vor
der erfolgreichen experimentellen Einführung von Kohlenstoff zur p-Dotierung in
III/V Solid Source MBE-Systemen durch Reuter et al. [71], wurde in der [001]
Wachstumsrichtung überwiegend Beryllium als Akzeptormaterial verwendet. Beryl-
lium weist jedoch im Gegensatz zu Silizium, welches standardmäßig als n-Dotierung
bei 2DEGs Verwendung findet, eine bis zu hundertfach höhere Diffusionskonstante
bei für GaAs typischen Wachstumstemperaturen auf [86]. Das Eindringen von Be-
ryllium als Fremdatome in die leitende Schicht der Struktur durch Diffusion und
die dadurch erzeugten zusätzlichen Streuzentren sind maßgebend für die reduzier-
te Mobilität in dieser Materialkonfiguration. Um diese Beweglichkeitslimitierung zu
umgehen, wurde in den 1990er Jahren Silizium als Akzeptor für 2DHGs in der
(311)A-orientierten GaAs Kristallebene eingesetzt. Hierbei konnten Lochbeweglich-
keiten bis zu 1.2 × 10
6
cm
2
/Vs nachgewiesen werden [87] und wichtige Arbeiten wie
z.B. zur exzitonischen Kondensation in gekoppelten Bilagen-Systemen [15], oder zur
Untersuchung anisotroper Transportphänomene bei hohen Füllfaktoren [14] wur-
den durchführbar. Jedoch wird die Interpretation derartiger Experimente erschwert
durch die anisotropen Beweglichkeiten der Löcher entlang der beiden Haupttrans-
portachsen der (311)A Ebene, wobei die [233] die schnellere, die [011] die langsamere
Bewegungsrichtung ist. Der Unterschied in den Mobilitäten beträgt etwa Faktor 4.
Der Effekt ist jedoch nicht auf die Anisotropie des Valenzbandes zurückzuführen,
vielmehr liegt ein anisotropes Verhalten der Streuung an der Grenzschicht zwischen
QW und spacer vor [88].
Reuter et al. stellten 1999 erstmalig 2DHGs auf (001)-orientierten GaAs Substraten
vor, die mit aus einer Feststoffquelle evaporiertem Kohlenstof dotiert wurden [71].
Magnetotransport-Untersuchungen an diesen Proben zeigten eine maximale Beweg-
lichkeit der Löcher von 1.6 × 10
5
cm
2
/Vs bei einer Temperatur von 100 mK [83].
Zusätzlich sind in dieser Konfiguration bereits klare Signaturen des fQHEs sowie
SIA induzierte Schwebungseffekte der SdH Oszillationen für kleine B-Felder erkenn-
bar. Motiviert durch die Qualität eben erwähnter Proben, wird im Rahmen dieser
Arbeit sowohl das Struktur-Design für 2DHGs optimiert, als auch die Weiterent-
wicklung des Zelltyps für die Evaporation von Kohlenstoff für die Steigerung der
Beweglichkeit von Lochsystemen ausgenutzt.

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
GaAs
GaAs
Al
x
Ga
1-x
As
Al
x
Ga
1-x
As
Al
x
Ga
1-x
As
Al
x
Ga
1-x
As
b nm
10 nm
90 nm
d nm
d nm
65 nm
{
E
F
Ψ
hh
δ-doping
δ-doping
E
E
V
L
( x = 0.31)
GaAs
Al
x
Ga
1-x
As
3 nm
10 nm
100 x 
Abbildung 4.1: Schichtaufbau und Bandstruktur eines beidseitig dotierten QW mit den
variablen Größen für Spacer Dicke d und QW Breite b.
Design und Wachstum
In Abbildung 4.1 ist die Schichtabfolge einer beidseitig dotierten QW-Proben ersicht-
lich. Ein GaAs QW mit variierender Breite b ist eingebettet zwischen zwei AlGaAs
Spacer-Schichten der variablen jedoch stets symmetrischen Dicken d. Den Spacer-
Schichten folgen beidseitig je eine Kohlenstoff-Deltadotierung, welche in ihrer Lage
zum QW symmetrisch angeordnet, aber in ihrer jeweiligen Dotierkonzentration stark
unterschiedlich sind. Zwischen diesem elektrisch aktivem Teil der Struktur und dem
Substrat befindet sich angefangen vom Substrat ein 500 nm dicker GaAs Puffer,
gefolgt von einem aus 100 Perioden bestehenden Übergitter aus 10 nm AlGaAs und
3 nm GaAs je Periode und einer 65 nm dicke AlGaAs Schicht. Die Abfolge und
Geometrie der Schichten wurden für alle Proben dieser Serie konstant gehalten. Die
substratnahe Dotierschicht ist somit stets in eine AlGaAs Schicht der Dicke (65 +
d) nm eingebettet. Der Puffer und das Übergitter dienen der Oberflächenglättung
des Substrats und der elektrischen Entkopplung der aktiven Struktur vom Substrat.
Der oberflächennahen Deltadotierung folgt eine 90 nm breite AlGaAs Schicht gefolgt
von einer die Struktur abschließenden 10 nm dicken GaAs Lage. Der QW befindet
sich somit für alle Strukturen (100 + d) nm unter der Probenoberfläche.
Das Vergraben der Dotierschicht hat den Zweck die Dotiereffizienz zu steigern. Bei

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4.1. Bandstruktur-Optimierung am Beispiel dsd-QWs
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allen III/V Verbindungshalbleitern bilden sich an der Oberfläche, also an der Grenz-
fläche des Halbleiters zu einer gashaltigen Umgebung Zustände auf etwa dem Niveau
der Mitte der Bandlücke aus, welche durch die entsprechende Ladungsträgerart ab-
gesättigt werden. Stehen frei Ladungsträger durch eine nahe liegende Dotierschicht
zur Verfügung, werden diese in den Oberflächenzuständen gebunden und stehen
nicht mehr zum Transport in der leitenden Schicht zur Verfügung. Bei so genannten
Thincap Strukturen, in welchen Dotierschicht und Oberfläche oft nur 10 - 15 nm
auseinander liegen, können bis zu 99% der durch die Dotieratome erzeugten freien
Ladungsträger an der Oberfläche gebunden werden. Diesem Prozess kann man z.B.
durch eine zusätzlich dotierte Deckschicht entgegenwirken, was jedoch aufgrund der
Anforderungen an Proben oft unerwünscht ist. Bei den hier vorgestellten Proben
handelt es sich um so genannte Mediumcaps, bei welchen zu erwarten ist, dass etwa
80 − 90% der durch die oberflächennahen Dotierschicht erzeugten Ladungsträger in
den Oberflächenzuständen gebunden sein werden. Die durch die substratnahe Do-
tierschicht erzeugten Ladungsträger sind von Oberflächeneffekten nicht betroffen.
Bei Verwendung von semiisolierenden Substraten kann es zwar auch hier zu Verar-
mungseffekte kommen, eine elektrische Entkopplung wird in vorgestellten Struktu-
ren jedoch durch das dazwischenliegende Übergitter gewährleistet. Von Thickcaps
spricht man, wenn Dotierschichten von der Oberfläche mehr als 300 nm entfernt
sind, wodurch Oberflächeneffekte auf die Dotierung weiterhin reduziert werden. Es
ist jedoch zu bedenken, dass mit zunehmender Entfernung der Transportschicht von
der Oberfläche, diese entsprechend schwerer durch ein Metal-Gate zu beeinflussen
ist.
Da beim Wachstum dieser Probenserie nur mit einer Aluminium Quelle gearbeitet
wurde, haben alle Al
x
Ga
1−x
As Schichten einer Probe die gleiche Aluminium Kon-
zentration x mit einer Variation über die gestamme Probenserie von 0.30 < x <
0.32. Diese Abweichung vom Zielwert x = 0.31 von etwa 3% ist der Fehler, der bei
mehreren aufeinanderfolgenden RHEED
2
Messungen bei ansonsten gleich bleiben-
den Bedingungen ermittelt werden konnte.
Die mit dem Pyrometer gemessene Probentemperatur hatte einen Zielwert von
(638 ± 10)
◦
C für das Wachstum der undotierten Schichten. Diese Temperatur konn-
te bei einer Leistung der Manipulatorheizung von etwa 175 Watt erreicht werden.
Da ein sehr hoher thermischer Eintrag auf die Probe durch die heiße Kohlenstoff-
quelle beim Öffnen des Zell-Shutters zu erwarten ist, wurde die Heizleistung des
Manipulators für jeden Dotierschritt um ca. 35 Watt verringert. Dies entspricht ei-
ner Reduktion der Probentemperatur um 50
◦
C. Unmittelbar nach Beendigung des
Dotierschrittes, also nach Schließen des Zell-Shutters, wird die Leistung der Proben-
heizung auf ihren Ausgangswert zurück gestellt. Mehr Details zu Temperatureffekten
während des Dotierens sind in Kapitel 5 zu finden. Ferner wird in Kapitel 5 gezeigt,
2
engl. reflection high energy electron diffraction

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