Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kristallebene übertragen werden kann, sowie die Herstellung von 2DHG Struktu-
ren auf ex-situ präparierten [110] Spaltkanten etabliert. Es wird gezeigt, dass die
Ladungträgermobilität bei tiefen Temperaturen (T < 5 K) als Vergleichskriterium
der 2DHGs nicht ausreicht. Um die Strukturen besser beurteilen zu können, wer-
den geeignete Experimente entwickelt und weitere Probenparamteter hinzugezogen.
So werden beleuchtungs - und feldeffektabhängige Transportmessungen durchge-
führt, die Ausprägung von fraktionalen Quanten-Hall Zuständen bei Millikelvin-
Temperaturen verglichen und die entscheidenden Streuparameter bestimmt. Ab-
schließend wird der Einfluss der Symmetrie des Einschlusspotentials auf die Trans-
portparameter wie Mobilität, Transport- und Quantenstreuzeit sowie auf den aus
temperaturabhängigen Transportuntersuchungen zugänglichen Bandparameter, wie
die effektive Masse m
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untersucht. Im Einzelnen werden in Kapitel 2 die grundlegen-
den theoretischen Konzepte zur Physik des Valenzbandes von GaAs Kristallen und
GaAs/AlGaAs Heterostrukturen dargestellt, sowie ein Überblick der zur Interpre-
tation von Magnetotransportuntersuchungen an derartigen Systemen notwendigen
Grundlagen gegeben. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die im Valenzband
verstärkt ausgeprägten Spin-Bahn Kopplungseffekte gelegt.
Kapitel 3 widmet sich den experimentellen Methoden zur Herstellung und Charak-
terisierung von 2DHG-Strukturen. Dabei wird ausführlich auf die besonderen An-
forderungen an MBE-Systeme und Wachstumsmethoden eingegangen, die grund-
legende Voraussetzung zur Herstellung qualitativ hochwertiger 2D-Systeme sind.
Der Aufbau sowie die Eigenschaften der zur Bereitstellung des elementaren Koh-
lenstoffs verwendeten Quelle werden dabei besonders berücksichtigt. Ferner werden
die zur Durchführung von Magnetotransportexperimenten nötigen Aufbauten und
Prozessierungsmaßnahmen der Proben erörtert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ei-
ne vereinfachte Methode zur Strukturierung geeigneter Messgeometrien entwickelt,
welche auf einer kontrollierten Verschiebung des Ferminiveaus, einhergehend mit
Verarmung des 2DHGs in den zu isolierenden Bereichen basiert.
Kapitel 4 beschäftigt sich mit der Optimierung von Strukturparametern zweidi-
mensionaler Lochgase und stellt Magnetotransportuntersuchungen der optimierten
Strukturen bei Messtemperaturen von 1.2 K bis 30 mK vor. Dabei konnten erstma-
lig Lochbeweglichkeiten von 1.21 × 10
6
cm
2
/Vs bei einer Ladungsträgerdichte von
2.28×10
11
cm
−2
in (001)-orientierten beidseitig-dotierten Quantum-Well-Strukturen
beobachtet werden. Diese Proben zeigen ferner eine in bisher veröffentlichten 2DHGs
nicht demonstrierte Ausprägung von fraktionalen Quanten-Hall Zuständen, welche
als vergleichendes Kriterium für die Qualität der im Rahmen dieser Arbeit gewachse-
nen 2DHGs herangezogen wird. Die bei diesen Messungen im Verlauf der Shubnikov-
de Haas Oszillationen bei kleinen Magnetfeldern beobachtbaren Schwebungseffekte
werden auf die Überlagerung einzelner Ladungsträgerdichten in spinaufgespaltenen
Subbändern des Valenzbandes zurückgeführt. Die Fourieranalyse dieser Schwebun-
gen lässt Aussagen zu den Symmetrieeigenschaften des Einschlusspotentials der ge-

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Kapitel 1. Einleitung
messenen Strukturen zu. Die Einflüsse veränderter Wachstumsparameter auf die
Eigenschaften einseitig-dotierter (001)-orientierter Quantum Well-Strukturen wird
ebenso in diesem Kapitel beschrieben. Hierbei wird gezeigt, welche Auswirkungen
eine Anpassung des Arsen-Angebots während des Wachstums bzw. die Adaptionen
der Substrattemperatur während des Dotiervorgangs auf das Einbauverhalten der
Kohlenstoffatome in die Kristallstruktur haben. Mit Experimenten zur Anreiche-
rung bzw. Verarmung von Ladungsträgern mit Hilfe von Beleuchtungszyklen wird
ein Hinweis auf den Einbau von Kohlenstoff als tiefe Störstellen in der unmittel-
baren Umgebung der Dotierschicht erarbeitet. Zusätzlich werden die Methoden zur
Herstellung von hochbeweglichen 2DHGs für das Wachstum von 2DHG Strukturen
in der unpolaren (110)-orientierten Kristallebene angepasst. Hier werden MDSI-
Strukturen (modulation-doped single interface) mit Beweglichkeiten von 1.13 × 10
6
cm
2
/Vs bei Ladungsträgerdichten von 1.25 × 10
11
cm
−2
vorgestellt, deren hohe Qua-
lität erstmalig die Ausprägung fraktionaler Quanten-Hall-Zustände in 2DHGs dieser
Kristallebene entlang der anisotropen [110]- und [001]-orientierten Transportachsen
sichtbar werden lässt. Ferner wird das Wachstum identischer MDSI-Strukturen auf
ex-situ präparierten Spaltflächen von (001)- und (110)-Substraten vorgestellt. Derar-
tige 2DHG precleave Proben wurden erstmalig im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt
und sind technische Voraussetzung für die Weiterentwicklung zum Wachstum auf in-
situ präparierten Spaltflächen zur Herstellung eindimensionaler Quantenstrukturen
durch das sequentielle Ausführen zweier in Hinblick auf Kristallorientierung zuein-
ander senkrecht durchgeführter Wachstumsschritte.
Die in Kapitel 5 vorgestellten Experimente zu elektrischen Feldeffekten in hoch-
beweglichen, einseitig-dotierten und (001)-orientierten 2DHG-Strukturen werden an
Proben durchgeführt, die mit einem Aluminium Gate an der Oberfläche ausgestattet
wurden. Es kann gezeigt werden, dass die Ladungsträgerdichte durch Anlegen eines
definierten Potentials auf der Gate-Elektrode für einen weiten Bereich kontrolliert
und reproduzierbar einstellbar ist, und so zuverlässige Magnetotransportmessungen
für variable k Werte der Dispersionsrelation des Valenzbandes durchführbar werden.
Untersuchungen außerhalb dieses Bereiches lassen ein Hysterese-Phänomen in der
Reaktion der Ladungsträgerdichte auf angelegte Gate-Spannungen beobachten, das
als Memory-Effekt der Probe (bezüglich der Ladungsträgerdichte) bezeichnet und
bisher in der Literatur nicht diskutiert wurde. Es kann gezeigt werden, dass dieser
Effekt gleichwohl kontrollierbar ist. Die sich dadurch eröffnende Möglichkeit, die La-
dungsträgerdichte eines 2DHGs mit Hilfe eines Gate-Potentials oder unter Ausnut-
zung des Memory-Effekts auf unterschiedliche Art auf identische Werte einzustellen,
lässt vergleichende Magnetotransportuntersuchungen zu, die den Einfluss externer-
bzw. interner elektrischer Felder auf Spin-Bahn Kopplungseffekte im Valenzband
quantifizieren. Die Ursache des Hysterese-Phänomens kann unter Berücksichtigung
der Beleuchtungsexperimente im Kapitel 4 auf die Ausprägung tiefer Störstellen
beim Einbau der Kohlenstoffatome in die Kristallstruktur eingegrenzt werden. Im

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