Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
resultiert in Beweglichkeiten von 1 × 10
5
cm
2
/Vs [99] bei Be dotierten und 1.75 × 10
5
cm
2
/Vs [91] bei Si dotierten 2DHGs. Um Werte von mehr als 10
6
cm
2
/Vs musste
auf die (311)A Oberfläche von GaAs ausgewichen werden, welche jedoch enorme
Anisotropie in der Beweglichkeit entlang verschiedener Achsen aufweist [88]. Henini
et al. [12] veröffentlichten 1995 eine Beweglichkeit von µ = 1.3 × 10
6
cm
2
/Vs entlang
der [233] Richtung bei einer Dichte von 1.3 × 10
11
cm
−2
. Diese Prominente Probe ist
jedoch gleichzeitig ein gutes Beispiel für die gebotene Vorsicht, welche anzuwenden
ist, wenn aufgrund der Mobilität der Ladungsträger Aussagen über die Qualität des
2D-Systems in Bezug auf Merkmale des fraktionalen QHE-Regimes getroffen werden
sollen. In genannter Veröffentlichung sowie in Referenz [100] wird gezeigt, dass ne-
ben den fraktionalen Zuständen ν = 4/3 und ν = 5/3 auch ν = 7/3 und ν = 8/3 im
Verlauf des Längswiderstandes in Erscheinung treten. Eine Bestätigung durch Pla-
teaus im Hallwiderstand ist den genannten Daten leider nicht beigefügt. Auffällig
ist auch, dass der Längswiderstand weder bei ν = 4/3 noch bei ν = 5/3 vollständig
verschwindet. Die hier vorgestellte Probe zeigt, wie in Abbildung 4.5 ersichtlich eine
klare Ausprägung der Zustände ν = 4/3 und ν = 5/3, wobei R
xx
jeweils eindeutig
verschwindend gering wird und R
xy
ohne Zweifel Plateaus ausbildet. Die Zustände
ν = 7/3 und ν = 8/3 sind jedoch nicht einmal im Längswiderstand angedeutet.
Es wird somit ersichtlich, dass in unserer Probe, obwohl die Löcher eine ähnliche
oder etwas geringerer Beweglichkeit zeigen, zwar weniger fraktionale Zustände aus-
gebildet sind, diese dafür wesentlich deutlicher in Erscheinung treten. Hingegen zeigt
eine Probe von Manoharan et al. [13] ebenfalls auf (311)A zusätzlich zu den oben an-
geführten fraktionalen Zuständen zusätzlich den Füllfaktor ν = 9/2, obwohl die Be-
weglichkeit mit lediglich 1×10
6
cm
2
/Vs angegeben wurde. Transportuntersuchungen
an Be dotierten (001) 2DHGs [101] zeigen lediglich angedeutete Minima in R
xx
bei
ν = 4/3 und ν = 5/3, jedoch war bei Iye et al. die Messtemperatur mit 500 mK auch
sehr hoch. Generell muss bei allen Versuchen hochbewegliche 2DHGs in Bezug auf
Beweglichkeit und Merkmale des fQHEs zu beurteilen berücksichtigt werden, dass
die zur Verfügung stehenden Daten meist erheblich Unterschiede aufweisen. Zum
einen haben veröffentlichte Proben in der Regel nicht vergleichbare Bandstrukturen
und Ladungsträgerdichten. Zum anderen werden Magnetotransportmessungen bei
sehr unterschiedlichen Probentemperaturen durchgeführt. Die Bandbreite bei Loch-
gasen geht hier von etwa 15 mK bis 300 mK.
Parallel zu den von uns ausgeführten Untersuchungen an Kohlenstoff dotierten sym-
metrischen QW Strukturen, arbeiteten Manfra et al. [53] an mit Kohlenstoff einseitig
dotierten, folglich asymmetrischen QW Strukturen. Ihnen gelang es fast zeitgleich
2DHGs auf (001) GaAs mit Beweglichkeiten von 1 × 10
6
cm
2
/Vs bei Dichten um
1 × 10
11
cm
−2
zu publizieren. Zwar ist auch hier wiederum ein Vergleich der Qualität
nicht einfach, da bei tieferen Temperaturen (T = 15 - 20 mK) gemessen wurde und
aufgrund der wesentlich geringeren Dichte der Fokus der Arbeit bei fraktionalen
Zuständen um ν =
1
2
und größer lag. Ein Vergleich der von Manfra et al. und uns

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4.2. Einfluss von Wachstumsparametern am Beispiel einseitig dotierter Quantum
Wells
75
angefertigten 2DHGs zeigt, dass dieses große Maß an Qualitätssteigerung auf die fol-
genden wesentlichen Punkte zurückzuführen ist. Entscheidend ist die Verwendung
von Kohlenstoff als Akzeptormaterial und dessen Bereitstellung aus einer hochreinen
Filamentquelle eingebaut in ein Hochbeweglichkeits-MBE System. Weiterhin war die
Optimierung der Bandstruktur essenziell für die Erreichung derart hoher Beweglich-
keiten auf (001) GaAs. Hierbei ist insbesondere das Erkennen der unkonventionellen
Abhängigkeit der Mobilität von der QW Breite in 2D-Lochsystemen anzuführen.
4.2
Einfluss von Wachstumsparametern am Beispiel
einseitig dotierter Quantum Wells
Mit der im vorangegangenen Kapitel beschriebenen Arbeit an beidseitig dotierten
QW Strukturen wurde eine neue Bezugsmarke in Sachen Beweglichkeit von Lö-
chern in (001)-orientierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen gesetzt. Grundlage für
das Wachstum solch qualitativ hochwertiger 2D-Lochsysteme ist das Zusammenspiel
dreier abhängiger Faktoren. Zum einen muss die Bandstruktur der Probe derart op-
timiert sein, dass kurzreichende Streueffekte auf ein Minimum reduziert sind und
somit Transportstreuzeit τ
q
maximiert wird. Weiterhin muss das zum Wachstum
der Probe verwendete MBE System von außerordentlich hoher Qualität sein, was
sich in der Streuung von Ladungsträgern an BI widerspiegelt. Der dritte entscheiden-
de Faktor liegt in der Wahl der verwendeten Wachstumsparameter zur Herstellung
der Probe. Im folgenden Abschnitt wird die Optimierung der Wachstumsparame-
ter am Beispiel von einseitig dotierten QW Strukturen beschrieben. Die Herstellung
von 2DHGs mit nur einem oberflächennahen Dotierschritt hat den Vorteil, dass Va-
riationen der Dotierparameter einer Probe nicht an zwei Dotierschritten realisiert
werden müssen, wodurch Fehlerquellen minimiert werden und somit die Unterschie-
de im Verhalten der Proben eindeutig auf die Veränderung der Wachstumsparameter
zurückgeführt werden können. Zum anderen ist es bei dieser Struktur leicht mög-
lich, die Ladungsträgerdichte zu reduzieren um kleinere Werte für k
F
zu erhalten
wodurch Ladungstransport in einem deutlich zentralen Bereich der Brillouin-Zone
stattfindet. Zusätzlich besteht ein grosses Interesse, ein möglichst breites Spektrum
verschiedener Probendesigns für weiterführende Experimente externer Arbeitsgrup-
pen zur Verfügung zu stellen. Einseitig dotierte QW Strukturen bieten durch die
inhärente Asymmetrie des QWs eine ideale Grundlage für Messungen zu Spin-Bahn
Kopplungseffekten.
Strukturdesign und Wachstum
Die Schichtabfolge und die Bandstruktur aller einseitig dotierten QW Proben ist bis
auf das Fehlen der substratnahen Delta Dotierung und dem damit einhergehenden

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