Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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Kapitel 4. Wachstum hochbeweglicher 2DHG Strukturen
p = 1.25 × 10
11
cm
−2
erhöht sich die Beweglichkeit auf µ = 6.6 × 10
5
cm
2
/Vs
gegenüber µ = 5.6 × 10
5
cm
2
/Vs bei T = 1.2 K. Die geringere Beweglichkeit
im Vergleich zur MDSI
sub
-Struktur ist auf einen Optimierungsbedarf der Wachs-
tumsparameter für das Wachstum von Precleave-Proben zurückzuführen. Jedoch
übersteigt die Beweglichkeit der selbst unter diesen suboptimalen Bedingungen her-
gestellten MDSI
pc
-Strukturen weit jene der bisher veröffentlichten konventionellen
(110)-orientierter 2DHGs. Diese entscheidende Steigerung der Qualität ist auf die
Verwendung von Kohlenstoff als Akzeptor und im Fall der MDSI-Strukturen auf
die optimale Wahl der Spacer Breite von 60 nm zurückzuführen. Die gewonnen
b
0
1
0
1
R
xx
(k
Ω
)
-600 -400 -200 0 200 400 600
B (mT)
-600 -400 -200 0 200 400 600
B (mT)
a
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
R
xx
(k
Ω
)
c
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
R
xx
(k
Ω
)
-600 -400 -200 0 200 400 600
B (mT)
Abbildung 4.11: SdH-Oszillationen für kleine B-Felder bei Temperaturen von 30 mK der
MDSI
sub
-Struktur in [110]- (a) und [001]-Richtung (b), sowie der MDSI
pc
-Struktur in der
[1110]-Richtung (c).
Magnetotransport-Messdaten bei T = 30 mK können wie in Kapitel 3.4 vorgestellt
und in Kapitel 4.1 für dsd-QW Strukturen in der (001)-Ebene angewendet, zur Un-
tersuchung von Ladungsträgerdichten der Spin-aufgespalteten Schwerlochsubbänder
verwendet werden. In Abbildung 4.11 sind die Schwebungen der SdH Oszillationen
für die Transportrichtungen [110] (a) und [001] (b)der MDSI
sub
-Struktur gut zu er-
kennen. Die Schwebung in R
xx
für die [110]-Transportrichtung der MDSI
pc
-Struktur
ist in Abbildung 4.11c) deutlich aufgelöst. Für die Fourieranalyse wurde jeweils der
relevante B-Feld Bereich von 50 mT < B < 500 mT gewählt und nach Auftra-
gung über 1/B mit 2
12
Punkten konstanten Abstands interpoliert. Die Umrech-
nung des Fourierspektrums in Ladungsträgerdichten ergibt p
1
= 0.56 × 10
11
cm
−2
,
p
2
= 0.69×10
11
cm
−2
sowie p
tot
= 1.25×10
11
cm
−2
für alle drei Datensätze. Die iden-
tische Aufspaltung der Dichten der Schwerloch-Subbänder für beide Proben zeugt
von der erfolgreichen Übertragbarkeit des Struktur-Designs sowie der Schichtdicken
der MDSI
sub
-Struktur auf precleave Proben. Das Ladungsträger-Ungleichgewicht er-
rechnet sich zu ∆p = 23%. Dieser zu erwartende, hohe Wert für ∆p resultiert aus
dem stark asymmetrischem Einschlusspotential der MDSI-Strukturen und ist Zei-
chen für einen verstärkten Einfluss des Rashba-Effekts (SIA) im Vergleich zu den
auf die Symmetrie des QWs optimierten dsd-Strukturen, welche in Kapitel 4.1 vor-
gestellt wurden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige (110)-orientierte 2DHGs bei einer Tempe-

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4.3. Wachstum und Charakterisierung von 2DHGs in der (110)-orientierten
Kristallebene
87
ratur von 4.2 K mit einer LED für 60 s beleuchtet. Dabei konnte festgestellt werden,
dass nach Beleuchtung die Ladungsträgerdichte persistent um 6 − 15% zunimmt.
Da (110)-orientierte Strukturen bei einer Substrattemperatur von 480
◦
C gewachsen
werden, scheint dieser Zusammenhang gut mit den Ergebnissen zu Probe IX aus
Tabelle 4.3 überein zu stimmen. Systematische Untersuchungen wurden hierzu je-
doch nicht durchgeführt. Es kann aber als Hinweis betrachtet werden, dass durch
Optimierung des Einbauprozesses von Kohlenstoff in die Kristallstruktur auch für
(110)-orientierte 2DHGs weitere Beweglichkeitssteigerungen erzielbar sein könnten.

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Kapitel 5
Gate-Effekte in kohlenstoffdotierten
2DHGs
Bei tiefen Temperaturen findet Ladungstransport ausschließlich an der Fermikante
statt, deren Lage durch die Ladungsträgerdichte und die effektive Masse des Systems
vorgegeben ist. Um systematische Untersuchungen zur Struktur des Valenzbandes in
Halbleiterheterostrukturen durchzuführen ist es wichtig, dass Proben unterschied-
licher Dichte bei ansonsten identischen Strukturparametern zur Verfügung stehen.
Ein einfacher Weg dies zu realisieren ist das Anlegen eines definierten Potentials an
eine auf die Probe aufgebrachte Gate-Elektrode. Die Anwendbarkeit dieser Tech-
nik für 2DHG-Strukturen im GaAs/AlGaAs-Heterosystem wurde von verschiede-
nen Gruppen erprobt und bestätigt. So wurden anhand Si-dotierter und mit Gates
ausgestatteter 2DHGs in der (311)A-Ebene Untersuchungen zum metallischen Ver-
halten von Lochsystemen in Abhängigkeit des Rashba induzierten Spin-Splittings
durchgeführt [96], sowie Kopplungseffekte in p-dotierten Bilagen-Systeme gemessen
[15]. Untersuchungen an Be-dotierten 2DHGs in der (001)-Ebene von Habib et al.
führten zur Visualisierung des negativen, differenziellen Rashba-Effekts [107]. Erste
Arbeiten mit gegateten kohlenstoffdotierten 2DHGs wurden von Grbic et al. durch-
geführt. Diese beschreiben die Abhängigkeiten der Schwerloch-Subbandaufspaltung
einer asymmetrischen Struktur bei Dichten ab 2 × 10
11
cm
−2
[83], bzw. die Herstel-
lung und Eigenschaften eines Single-Hole Transistors [108].
Die Methode zur Herstellung qualitativ hochwertiger 2DHGs in der (001)-Ebene mit
Beweglichkeiten über 1 × 10
6
cm
2
/Vs ist erst seit kurzen bekannt und bisher nur von
unserer und der Arbeitsgruppe um M. Manfra [53] realisiert worden. Dementspre-
chend existieren erst wenige Veröffentlichungen zu weiterführenden Experimenten
in denen die Lochdichte solch hochbeweglicher 2DHGs mit Hilfe eines Gates variiert
wurde. Zu erwähnen sind die Arbeiten zu Transporteigenschaften und dem metal-
lischen Verhalten von 2DHGs sehr geringer Dichte von Manfra et al. [55], sowie
Zyklotron-Resonanz Experimente zur Untersuchung der Abhängigkeiten effektiver
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