Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

4.2. Einfluss von Wachstumsparametern am Beispiel einseitig dotierter Quantum
Wells
81
be I lässt diesen Zusammenhang auch für Lochgase vermuten. Dieser konnte aber
durch weitere Proben weder bestätigt noch widerlegt werden. Um unterschiedliche
dark
ill
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
 
d
e
n
s
it
y
 (
1
0
1
1
 c
m
-2
)
590 °C
530 °C
470 °C
Abbildung 4.8: Reaktion der Lochdichte auf Beleuchtung der Probe durch eine LED für
60 s bei 4K. Der dunkel unterlegte Bereich links repräsentiert die unbeleuchtete, der rechte
nicht unterlegte Bereich die beleuchtete Probe
Substrattemperaturen für die Dotierschritte der Proben VII bis IX zu gewährleisten,
wurde im Vorfeld jedes Wachstums der Temperaturverlauf der Substrate als Funk-
tion der Spannungsänderung der Manipulatorheizung aufgezeichnet. Abbildung 4.7
zeigt, dass Spannungs-Änderungen von 5 V, 10 V und 15 V eine Adaption der Tem-
peratur auf 590
◦
C, 530
◦
C und 470
◦
C nach jeweils etwa 180 s, 300 s und 400 s ergeben.
Da mit dem Pyrometer gemessene Temperaturen ohnehin nur mit ±10
◦
C Genauig-
keit angegeben werden können, stellt die sich weiter leicht verändernde Temperatur
nach Erreichen des Schwellwert für die Zeit keinen grossen Einfluss dar. Ferner ist
zu berücksichtigen, dass durch das Öffnen des Zell-Shutter der Kohlenstoffquelle
der thermische Eintrag auf das Substrat so groß ist, dass Temperaturvariationen
um 10
◦
C mit Sicherheit zu vernachlässigen sind. Die angegebenen Substrattempe-
raturen spiegeln in keinem Fall Real-Temperaturen während der Dotierung wieder,
sondern sind nur als einstellbare Werte für das Substrat unmittelbar vor dem Dotier-
vorgang zu betrachten. Der Vergleich der Proben VII bis IX zeigt, dass die Dichte
der Ladungsträger sehr wohl mit der Substrattemperatur variiert, dies jedoch nicht
in einem monotonen Verhalten. Vielmehr ist die Dichte für die mittlere Temperatur
von 530
◦
C mit 1.18 × 10
11
cm
−2
am höchsten. Ein erstaunlicher Effekt ist jedoch zu
beobachten, wenn die Strukturen bei 4 K mit einer LED für 60 s beleuchtet wer-

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82
Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
den. Im Gegensatz zu 2DEGs, bei welchen durch den Einbau von Si als DX-Zentren
die Elektronendichte durch Beleuchtung nahezu persistent verdoppelt werden kann,
sollten Kohlenstoffdotierte 2DHGs keine Reaktion auf die Exposition roten Lichts
zeigen. Dies steht jedoch im Widerspruch zu den in Abbildung 4.8 gezeigten Daten.
Probe VII, für welche die Substrattemperatur unmittelbar vor der Dotierung auf
590
◦
C eingestellt war, zeigt eine persistente Dichtezunahme um 26%, wohingegen
für Probe VIII (T
dot
= 530
◦
C) eine Reduktion der Dichte um 8% zu beobachten
ist. Probe IX (T
dot
= 470
◦
C) weist eine Zunahme der Dichte um 7% auf. Nach be-
leuchten zeigen alle drei Probe annähernd dieselbe Ladungsträgerkonzentration von
(1.10±0.02)×10
11
cm
−2
. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass Kohlenstoff sich in
sehr unterschiedliche Weise in das Kristallgitter einbauen kann. Vor allem zeigt es die
Möglichkeit, dass Kohlenstoff sich unter gewissen Bedingungen auch als tiefe Stör-
stelle einbauen kann und somit durch Anregung Löcher binden oder frei geben kann.
Ein ähnliches Phänomen wird in Kapitel 5 im Zusammenhang mit feldeffektabhän-
gigen Messungen besprochen. Leider ist in der Literatur kein Hinweis auf ähnliche
Phänomene im Einbauverhalten von Kohlenstoff in GaAs zu finden, weshalb der
gezeigte Zusammenhang ohne weiterführende Experimente vorläufig als nicht inter-
pretierbar verbleiben muss. Eine ähnliche Schwierigkeit entsteht beim Versuch das
nicht monotone Verhalten der Beweglichkeiten für die Proben VII bis IX zu inter-
pretieren. Probe VIII zeigt deutlich ein Minimum in der Mobilität, während dies
gleichzeitig die einzige Probe ist, die eine Dichtereduktion aufweist. Leider kann aus
den gewonnenen Daten keine Empfehlung für eine ideale Substrattemperatur zur
Dotierung abgeleitet werden. Das Verhalten der Ladungsträgerdichte stellt jedoch
einen interessanten Zusammenhang dar und soll als Grundlage für an diese Arbeit
anknüpfende Experimenten dienen.
4.3
Wachstum und Charakterisierung von 2DHGs
in der (110)-orientierten Kristallebene
Nachdem in den vorangehenden Kapiteln erfolgreich gezeigt werden konnte, dass
mit Kohlenstoff als Akzeptormaterial in optimierten Heterostrukturen in der (001)-
orientierten Kristallebene 2DHGs mit Beweglichkeiten von über 1 × 10
6
cm2/Vs ge-
wachsen werden können, ist es nahe liegend, die gewonnenen Erkenntnisse auch zum
Wachstum auf anders orientierten GaAs Substraten anzuwenden. Gerade für Spin-
tronik Anwendungen ist die unpolare (110)-Ebene des GaAs/AlGaAs Heterosystems
besonders interessant, da in dieser Transportebene Spin-Relaxationsprozesse teilwei-
se unterdrückt sind und so die Spin-Lebensdauer besonders groß werden kann [103].
Im Jahr 2005 zeigten Fischer et al. [91] erfolgreich, dass Silizium als Akzeptor in
der (110)-Ebene eingebaut werden kann. 2DHGs, die mit dieser Technik hergestellt

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4.3. Wachstum und Charakterisierung von 2DHGs in der (110)-orientierten
Kristallebene
83
wurden, erreichten Beweglichkeiten bis zu 1.75 × 10
5
cm
2
/Vs entlang der mobile-
ren [110] Transportrichtung. Prinzipiell erlaubt die Herstellung von 2DHGs in der
(110) Eben ein Überwachsen von Spaltflächen, eine Technik die von L. Pfeiffer et
al. [75] für n-dotierte Strukturen erfolgreich als CEO
5
eingeführt wurde. Das CEO-
Verfahren ermöglicht die Herstellung von niederdimensionalen Strukturen wie z.B. 1-
dimensionalen Elektronendrähten [104] und 0-dimensionalen Quantenpunkten [105]
durch zwei-, bzw. drei-sequentiell, in Bezug auf die Kristallrichtung senkrecht zuein-
ander ausgeführten Wachstumsschritten. In diesem Kapitel wird die Herstellung von
Kohlenstoffdotierten 2DHGs in der (110)-Kristallebene mit außerordentlich hoher
Beweglichkeit beschreiben. Zusätzlich werden erste Schritte zum CEO-Wachstum
anhand von 2DHGs auf ex-situ gespaltenen (precleave) Kristalloberflächen vorge-
stellt.
Probendesign und Wachstum
Die Struktur der 2DHGs auf (110) GaAs folgt der in Kapitel 4.1 vorgestellten
Schichtfolge mit dem Unterschied, dass die Schichten zwischen Übergitter und ober-
flächennahem AlGaAs-Spacer durch eine 500µm dicke GaAs Schicht ersetzt wurde.
In diesen MDSI-Strukturen entsteht an der Grenzschicht von GaAs nach AlGaAs
ein dreiecksförmiges Einschlusspotential im Valenzband. Der Abstand von Grenz-
fläche und δ-Dotierung beträgt für alle Strukturen 60 nm, ebenso wird der Alu-
minium Gehalt der AlGaAs-Schichten mit x = 0.31 konstant gehalten. Die MDSI-
Strukturen werden wahlweise auf (110)-orientierten GaAs-Substraten (MDSI
sub
),
oder auf den Spaltflächen von exsitu gespaltenen (001) bzw. (110)-orientierten Sub-
straten (MDSI
pc
) gewachsen. Die MDSI
pc
werden unmittelbar vor dem Einbau in das
Ultrahochvakuum präpariert und auf spezielle Probenhalter montiert. In Abbildung
4.9 ist eine solche Probe schematisch dargestellt. Nach dem Spalten eines (001)-
orientierten Substarts steht die (110)-orientierte Kristalloberfläche für das Wachs-
tum zur Verfügung. Durch Aufbringen der Lötkontakten 1 bis 4 können Transport-
eigenschaften der Struktur in [110]-Richtung beobachtet werden. Analog dazu kann
ein (110)-orientiertes Substrat für das Wachstum auf der (110) Oberfläche präpa-
riert werden, wodurch Transporteigenschaften in [001]-Richtung zugänglich werden.
Für das Wachstum aller Proben wurden die in Kapitel 3 aufgeführten Parameter
angewendet. Bei Substrattemperaturen von 480
◦
C wurde von einer Temperatur-
absenkung während des Dotiervorgangs abgesehen. Die Wachstumsgeschwindigkeit
wurde für das Wachstum auf den unpolaren Oberflächen auf 0.5 ML/s reduziert und
der As- Fluss auf (2.2 − 2.6) × 10
−5
Torr erhöht.
5
engl. cleaved edge overgrowth

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