Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
As gewachsen. Um diese stöchiometrischen Bedingungen zu gewährleisten, werden
Proben unrotiert, bei sukzessiv verringertem Arsen Angebot gewachsen. Richtung
des Arsen-Molekühlstahls und Oberflächennormale der Probe schließen einen von
Null verschiedenen Winkel ein. Dies hat zur Folge, dass über die Ebene der Sub-
Abbildung 4.6: Bilder der GaAs Oberfläche aufgenommen mit dem Lichtmikroskop.
Links: die spiegelgleiche Oberfläche zeugt von einem Wachstum in optimalen Bedingun-
gen; Mitte: Galliumtröpfchen auf der Oberfläche lassen auf einen Mangel im Arsen Angebot
während des Wachstums schließen; Rechts: dichte Häufung der Ga Tröpfchen auf der Ober-
fläche durch noch geringeren As-Fluss als im mittleren Bild.
stratoberfläche ein Gradient in der angebotenen Menge an Arsen zu finden ist. Bei
hinreichend großem As-Fluss bleibt während des III/V Wachstums die spiegelnde
Oberfläche des GaAs Kristalls erhalten (Abbildung 4.6 rechts). Ist das As Angebot zu
niedrig, facettiert die Oberfläche des Wafers was als milchige Eintrübung erkennbar
ist (Abbildung 4.6 mitte und links). Im Grenzbereichbereich von Arsen Überange-
bot nach -Mangel ist auf der Probe eine klare Trennlinie zwischen spiegelnder und
getrübter Oberfläche zu erkennen. Der an der Grenzlinie anliegende Materialstreifen
auf der spiegelnden Seite des Wafers ist demnach mit dem minimal möglichen Arsen
Fluss epitaktisch gewachsen worden, also im stöchiometrischen Verhältnis.
Im konkreten Fall der Probe IV betrug der mit dem Bayard-Alpert Ionisationsva-
kuummeter im Molekühlstrahl gemessene Arsen-Druck 5.63 × 10
−6
Torr, für das
rotierte Wachstum von Probe I wurde ein Arsen-Druck von 7.45 × 10
−6
Torr ver-
wendet. Etwa 1/3 der Oberfläche von Probe IV waren nach Wachstum getrübt. Nach
direktem Vergleich von Probe I und IV kann der Schluss gezogen werden, dass die
angebotene Menge Arsen während des Wachstums von Kohlenstoffdotierten 2DHGs
einen erheblichen Einfluss auf die Beweglichkeit der Löcher hat. Ebenso gibt die er-
höhte Ladungsträgerdichte einen Hinweis, dass der Einbau der Kohlenstoffmolekühle
scheinbar effizienter von statten geht. Im Gegensatz dazu ist vorstellbar, dass sich
bei einem Arsenüberangebot Kohlenstoff aufgrund seines amphoterischen Charak-
ters vermehrt auf Ga Plätzen einbauen und so durch das wirken als Donator statt

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4.2. Einfluss von Wachstumsparametern am Beispiel einseitig dotierter Quantum
Wells
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Akzeptor die erreichbare Löcherkonzentration durch Autokompensation verringern.
Wen wir davon ausgehen, dass jedes eingebaute Dotier- oder Akzeptorion ein nicht
periodisches Coulomb-Störpotential für die frei beweglichen Löcher darstellt, ist ein
möglichst effizienter Einbau der Akzeptoren wünschenswert. Eine Anpassung des
Arsen Flusses scheint hierfür dienlich zu sein und resultiert in 2DHGs mit beson-
ders hoher Mobilität der Löcher. Probe V wurde anlog zu Probe IV unrotiert und im
stöchiometrischen Verhältnis von Gallium und Arsen Gewachsen. Die Schichtfolgen
beider Strukturen wurde, wie für alle anderen in Tabelle 4.3 erwähnten Proben auch,
bei einer mit dem Pyrometer gemessenen Substrattemperatur T
P yro
von etwa 640
◦
C
gewachsen. Einzige Ausnahme bildet die Delta Dotierschicht, für welche T
P yro
auf-
grund der zu erwartenden sehr starken thermische Einstrahlung auf die Probe durch
das heiße und relativ großflächige Kohlenstoff-Filament um etwa 50 − 60
◦
C abge-
senkt wurde. Für Probe V wurde T
P yro
zur Dotierung nur um etwa 15
◦
C abgesenkt.
Eine direkte Auswirkung ist in der reduzierten Ladungsträgerdichte bei gleicher Do-
tierkonzentration zu sehen. Die Beweglichkeit der Löcher im QW nimmt analog zur
Dichte um etwa 10% ab. Die Abhängigkeit der eingebauten Menge an Kohlenstoff
als Akzeptor von der Substrattemperatur gibt jedoch Anlass zu weiterführenden
Experimenten welche im Folgekapitel vorgestellt werden. Probe VI wird in Tabelle
4.3 aufgeführt um zu verdeutlichen, welchen erheblichen Einfluss der Zustand des
MBE-Systems auf die Beweglichkeit der Ladungsträger hat. Probe VI ist eine exakte
Kopie von Probe IV in Bezug auf Struktur- und Wachstumsparameter. Probe VI
zeigt jedoch bei konstant bleibender Dichte eine um 70% reduzierte Mobilität der
Löcher. Zwischen dem Wachstum beider Proben, wurden Wartungsarbeiten an der
MBE-Anlage durchgeführt, wofür das UH-Vakuum gebrochen werden musste. Da als
Hauptstreuprozess in strukturoptimierten Proben nur BI verbleibt, ist die Qualität
des Restgases von entscheidender Bedeutung für die Beweglichkeit von Ladungsträ-
gern. Wie in [84] gezeigt, kann diese Qualität bei gegebenen Anfangsbedingungen
zwar durch ungestörtes Pumpen in einem Zeitraum von mehreren Monaten gestei-
gert werden, dennoch sind Proben die unter stark unterschiedlichen Bedingungen
gewachsen wurden im Hinblick auf Ladungsträgerbeweglichkeit nur sehr schwer ver-
gleichbar. Ein Einfluss auf die Loch-Konzentration ist jedoch nicht ersichtlich.
Einfluss der Substrattemperatur auf den Einbau von Kohlen-
stoff
Wie aus dem Vergleich der Probe IV und V in vorausgehendem Kapitel ersichtlich,
scheint die Temperatur des Substrats während des Dotierschrittes einen erheblichen
Einfluss auf den Einbau von Kohlenstoff in den Kristall zu haben. Um diesen Ef-
fekt genauer zu untersuchen, wurde eine ssd-QW Probenserie hergestellt, welche in
Tabelle 4.4 aufgelistet ist. Die Proben VII - IX wurden mit einem As-Überangebot

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
d x
Al
T
dot
p
dark
p
ill
µ
1.2K,dark
Probe
(%)
(
◦
C)
(10
11
cm
−2
)
(10
11
cm
−2
)
(10
5
cm
2
/Vs)
I
D040901A
31
590
1.16
k.A.
7.39
VII
D060531B
24
590
0.86
1.08
6.88
VIII
D060612A
24
530
1.18
1.08
2.87
IX
D060612B
24
470
1.04
1.12
4.07
Tabelle 4.4: Proben mit variablen Substrattemperaturen während des Dotiervorgangs.
Die unterschiedlichen Dichten vor und nach Beleuchtung bei 4K sind mit p
dark
und p
illl
angegeben (siehe Text).
0
60
120
180
240
300
360
420
480
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
Δ
V = 15 V
Δ
V = 10 V
T
P
y
r
 (
°C
)
Zeit (s)
Δ
V = 5 V
Abbildung 4.7: Zeitlicher Verlauf der Substrat-Temperatur bei Spannungs-Änderung der
Manipulatorheizung.
gewachsen, weshalb diese mit der Ausgangs-Probe I zu vergleichen sind. Außerdem
ist zu beachten, dass die Barrieren der Strukturen mit einem Aluminium Gehalt
x
Al
= 0.24 bei ansonsten gleich bleibender Schichtabfolge gewachsen wurden. Der
Vergleich von Probe VII mit I zeigt, dass die Reduktion von x
Al
bei gleich bleiben-
der Substrattemperatur während des Dotierschritts einhergeht mit einer Verringe-
rung der Ladungsträgerdichte. Die Motivation, zu geringeren Al Konzentrationen zu
wechseln stammt aus den Arbeiten von L. Pfeiffer et al. [5], welche deutliche Be-
weglichkeitssteigerungen in 2DEG-Strukturen für kleine Werte von x
Al
zeigen. Die
gemessene Beweglichkeit von 6.88 × 10
5
cm
2
/Vs an Probe VII im Vergleich zu Pro-

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