Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

4.1. Bandstruktur-Optimierung am Beispiel dsd-QWs
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Nach Ermittlung der idealen Werte für Spacer- und QW-Breite, können die Schich-
tabfolge und -Dicken für hochbewegliche 2DHGs als optimiert angesehen werden.
Bei einer Messtemperatur von 1.2 K zeigt die optimale Probe bei einer Dichte von
2.3 × 10
11
cm
−2
eine Beweglichkeit von 9.1 × 10
5
cm
2
/Vs. Derart hohe Beweglichkei-
ten konnten bisher für 2DHGs in (001)-orientiertem GaAs/AlGaAs System selbst
bei wesentlich tieferen Messtemperaturen nicht beobachtet werden. Um den Einfluss
d
t
dot
p
µ
Probe
(nm)
(s)
(10
11
)(cm
−2
)
(10
5
cm
2
/Vs)
D040603B
45
150
4.11
0.90
D040617A
45
100
3.12
2.66
D040601B
45
50
2.14
4.98
D040914B
80
100
2.26
9.13
D040914A
80
50
1.83
8.94
Tabelle 4.1: Probenserie zur Untersuchung des Einflusses der Dotierkonzentration p auf
die Beweglichkeiten µ der Löcher. Die QW-Breite ist konstant gleich 15 nm, die Spacer-
Dicke ist wahlweise 45 nm oder 80 nm. Die Oberflächennahe Dotierung bleibt ebenfalls
konstant bei 330 s.
der Ladungsträgerdichte auf die effektive Masse und somit auf die Mobilität von Lö-
chern für unsere Strukturoptimierung zu untersuchen, wurde die obige Probenserie
durch passende Strukturen mit veränderter Dotierdichte erweitert. In Tabelle 4.1
sind die Parameter der Proben der nun vorgestellten Serie aufgelistet, wobei stets
nur die Shutteröffnungszeit des substratnahen Dotierschrittes von ursprünglich 100
s variiert wurde, während der oberflächennahe Dotierschritt konstant 330 s beträgt.
Anhand der Proben mit Spacerdicke d = 45 ist ersichtlich, dass eine verlängerte Do-
tierzeit zu einer Vergrößerung der Ladungsträgerdichte führt, und umgekehrt. Dies
ist ein zu erwartendes Verhalten, sofern die Probe nicht bereits gesättigt ist oder eine
Autokompensation des amphoterischen
3
Dotiermaterials einsetzt. Für vorgestellte
Proben tritt jedoch eine von elektronischen Systemen nicht bekannte Reduktion der
Beweglichkeit bei vergrößerten Dichten ein bzw. eine Zunahme der Beweglichkeit bei
verringerter Dichte. Es wird vermutet, dass dieser Effekt ebenfalls wie die Abhängig-
keit der Beweglichkeit von der QW Breite auf die stark nicht-parabolische Form der
Valenz-Subbänder zurückzuführen ist. Die Wechselwirkung zwischen Schwer- und
Leichtlochband ist durch die Trennung der Subbänder für kleine Werte von k , also
für geringe Dichten klein. Mit zunehmenden Werten von k nähern sich die Subbän-
der einander an, bis hin zu jenen Bereichen von k , wo Schwer- und Leichtlochband
3
Dotiermaterialien, welche sowohl als Akzeptor als auch als Donator in den Kristall eingebaut
werden können, werden amphoterische Elemente genannt. Auch Si kann abhängig von den Wachs-
tumsparametern zur n- und p-Dotierung in GaAs eingesetzt werden [91], [12] und [92].

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
sich ohne den Effekt des anti-crossing (siehe Abbildung 2.8a) schneiden würden. Die
durch die Annäherung verstärkte Wechselwirkung der Subbänder stört deren unbe-
einflussten Verlauf und verstärkt die Krümmung der Einzelbänder. Diese Zunahme
der effektiven Masse kann, sofern nicht andere Störgrößen dominierend sind, in der
Verringerung der Beweglichkeit der Schweren Löcher abgelesen werden. Eine Re-
duktion der Dichte und somit Ladungstransport bei kleineren Werten von k , kann
folglich zu erhöhten Mobilitäten führen.
Der genaue Verlauf der Dispersionsrelation im Valenzband kann wie in Kapitel 2.4
dargelegt, durch dessen vielfältige Abhängigkeit von Strukturparametern und Quan-
teneffekten, nur sehr aufwendig für Einzelsystem berechnet werden. Arbeiten zu
einer systematischen Kartierung der Dispersionsrelation in Abhängigkeit von wich-
tigen Probenparametern sind bisher in der Literatur nicht zu finden. Deshalb ist es
auch nahezu unmöglich abzuschätzen, wie stark sich der Effekt der Ladungsträger-
reduktion auf die Beweglichkeit auswirken wird, da man im Vorfeld keine Anhalts-
punkte zur Stärke der Intersubband-Wechselwirkung für den umliegenden Bereich
von k
F
findet. Dies wird ersichtlich anhand der Proben aus Tabelle 4.1 mit d =
80 nm. In diesen Proben führt eine Abnahme der Dichte um 20% zu einer Reduk-
tion der Beweglichkeit um 2%. Da keine Zunahme der Beweglichkeit eintritt, kann
man davon ausgehen, dass oben beschriebener Effekt für diese Struktur und für diese
Werte von k nur von geringer Bedeutung ist, der Gradient von m
∗
in diesem Bereich
wohl als sehr klein angenommen werden darf. Dadurch verhält sich diese Struktur
annähernd wie ein 2DEG, für welche eine Reduktion der Beweglichkeit durch Ver-
ringerung des Screenings bei geringeren Ladungsträgerdichten ein bekannter Effekt
ist [32].
Symmetrieeigenschaften des QWs
Das Rashba induzierte Spinsplitting des Schwerlochbandes ist eine weitere Ein-
flussgröße für die genaue Form der Dispersionsrelation im Valenzband und somit
maßgebend für die Krümmung der Einzelbänder in der Umgebung des durch die
Ladungsträgerdichte fixierten Wertes von k
F
. Die Stärke dieser strukturellen In-
versionasymmetrie ist durch den räumlichen Verlauf des Potentials im QW und
somit durch extern angelegte oder intern in die Struktur eingebaute elektrische Fel-
der einstellbar. Bei 2DEGs sind beidseitig dotierte QW Strukturen jene, welche die
höchste publizierte Mobilität aufweisen [29]. Ein Grund hierfür ist sicherlich die
Möglichkeit eine größere Dichte an Ladungsträgern bei unveränderter Spacer-Breite
durch die beidseitige Dotierung bereitstellen zu können, was bei 2DEGs wie oben
beschrieben eine Erhöhung der Beweglichkeit zur Folge hat. Ein weiterer Grund
kann in der hohen Symmetrie vermutet werden, welche durch beidseitige Dotierung
erreicht werden kann. Die größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger
bei symmetrischen QWs, in der Mitte des leitenden Kanals und ist somit maximal

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