Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
1
2
3
4
(001)
(110)
[1-10]
[001]
[110]
[1-10]
~500µm
~4mm
g
ro
w
th
 d
ir
e
c
ti
o
n
Abbildung 4.9: Schematische Darstellung einer precleave Probe für Magnetotransport
Messungen in [110]- bzw. [001]-Richtung. Durch Spalten eines (001)-Substrats steht die
(110)-Spaltfläche für das Wachstum zur Verfügung. Analog kann nach Spaltung eines (110)-
Substrats die (1
10)-Oberfläche überwachsen werden (aus [106]).
Transporteigenschaften (110)-orientierter 2DHGs
Für Magnetotransportuntersuchungen wurde die MDSI
sub
-Struktur mit der Mess-
geometrie eines L-förmigen Hallbars (siehe Abbildung 3.5) ausgestattet. Somit wer-
den auf nur einer Probe die [110]- und die [001]-Transportrichtungen zugänglich,
für welche aufgrund der Anisotropie des Valenzbandes in der (110)-Ebene unter-
schiedliche Beweglichkeiten der Löcher zu erwarten sind [91]. Da herstellungsbedingt
(110)-orientierte Substrate mit einer höheren Toleranz als (001)-Substrate geschnit-
ten werden, kann die Abweichung der Oberfläche von der (110)-Ebene mehrere Grad
betragen. Deshalb wurden parallel dazu identische MDSI
pc
-Strukturen gewachsen,
da diese durch den Spaltvorgang entlang der gewünschten unpolaren Ebenen faktisch
keine Abweichung aufweisen. Ferner kann mit precleave Proben gezeigt werden, dass
Wachstum auf der Spaltfläche prinzipiell in hoher Qualität möglich ist und als Test-
strukturen für weiterführende CEO-Proben dienen kann. Für folgende Messungen
wurden MDSI
pc
für die [110]- und [001]-Transportrichtung nach dem in Abbildung
4.9 gezeigten Schema kontaktiert und verdrahtet. In Abbildung 4.10a) sind Längs-
und Hallwiderstand der MDSI
sub
-Probe in der [110] Transportrichtung für B-Felder
bis 17 T und Badtemperaturen unter 30 mK zu sehen. Dichte und Beweglichkeit
ergeben sich für die [110]-Richtung zu p = 1.25 × 10
11
cm
−2
und µ = 1.13 × 10
6
cm
2
/Vs, was im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Höchstwerten in [91] eine
Zunahme der Mobilität um den Faktor 6.5 darstellt. Die Beweglichkeit der Löcher in
[001]-Richtung beträgt 4.8 × 10
5
cm
2
/Vs bei identischer, aber für diese Richtung un-
abhängig gemessener Ladungsträgerdichte. Dies entspricht einem Anisotropiefaktor
von 2.6 für die Beweglichkeiten. Besonders zu beachten ist die starke Ausprägung der
fraktionalen Quanten-Hallzustände. Um den Zustand ν =
1
2
bei etwa B = 11 T sind
symmetrisch angeordnete fQHE-Zustände mit deutlich ausgeprägten Minima in R
xx

---

4.3. Wachstum und Charakterisierung von 2DHGs in der (110)-orientierten
Kristallebene
85
0
10
20
30
40
p=1.25*10
11
cm
-2
µ=6.6*10
5
cm
2
/Vs
R
x
x
 (
k
Ω
)
B
0
2
4
6
8
10
12
14
16
B (T)
0
20
40
R
x
x
 (
k
Ω
)
0
20
40
60
80
p=1.25*10
11
cm
-2
µ
=1.13*10
6
cm
2
/Vs
|R
H
a
ll
 (
k
Ω
)|
A
0
2
4
6
8
10
12
14
16
B (T)
 
Abbildung 4.10: a) Hall- und Längswiderstand eines auf einem (110)-orientierten GaAs
Substrat gewachsenen 2DHGs für die [110]-Transportrichtung und b) Längswiderstand
derselben 2DHG-Struktur gewachsen auf einer precleave Probe ebenfalls in [110] Trans-
portrichtung.
einhergehend mit Plateaus in R
xy
zu erkennen. Ebenso kann die Ausprägung von
ν = 5/3 durch ein Hall-Plateau bestätigt und ν = 4/3 zumindest als angedeutetes
Minima in R
xx
beobachtet werden. Ein Vergleich bezüglich Qualität mit ähnlichen
2DHG-Strukturen auf (110)-Oberflächen kann aus einem Mangel an geeigneten Ver-
öffentlichung nicht gezogen werden. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die hohe
Qualität dieser MDSI
sub
-Struktur von anderen Gruppen bisher nicht erreicht, bzw.
nicht publiziert wurden.
Die Werte für die Beweglichkeit bei T = 1.2 K und die Dichte der MDSI
pc
-Strukturen
liegen für die [110]-Richtung bei µ = 5.6 × 10
5
cm
2
/Vs bei p = 1.25 × 10
11
cm
−2
,
für die [001]-Richtung µ = 3.7 × 10
5
cm
2
/Vs bei p = 1.7 × 10
11
cm
−2
. Die repro-
duzierte Dichte für die [110]-Richtung bestätigt die Kontrollierbarkeit des Wachs-
tums von MDSI
pc
-Strukturen auf (110)-Spaltflächen. Die Abweichung der Dichte
in [001]-Richtung ist als gering anzusehen, wenn man berücksichtigt, dass diese
MDSI
pc
-Struktur die erste je veröffentlichte Probe dieser Geometrie und Transpor-
trichtung darstellt und die Anwendbarkeit der gewählten Wachstumsparameter bis
zur erfolgreichen Bestätigung eines in der Struktur vorhandenen 2DHGs in Frage
standen. Skaliert man die Beweglichkeit der MDSI
pc
-Struktur in der [001]-Richtung
auf eine Dichte von p = 1.25 × 10
11
cm
−2
, so erhält man mit µ
skal
= 2.7 × 10
5
cm
2
/Vs einen Faktor für die Anisotropie der Beweglichkeiten von 2.1, was gut mit
dem Ergebnis für die MDSI
sub
-Struktur übereinstimmt. Abbildung 4.10b) zeigt den
Verlauf von R
xx
der MDSI
pc
-Struktur in [110]-Richtung bei einer Messtemperatur
von 30 mK. Auffallend ist die Vielzahl der fQHE-Zustände, welche in Anzahl und
Ausprägung identisch mit den Messungen der MDSI
sub
-Struktur sind. Auf eine Be-
stätigung der Zustände durch eine Hallmessung musste leider wegen schadhafter
Kontakte verzichtet werden. Bei einer reproduzierbaren Ladungsträgerdichte von

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