Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

5.1. Hysterese-Effekt in 2DHGs mit Gate-Elektrode
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Massen von M. Khannanov et al. [54] und K. Rachor et al. [44] an (001)-orientierten
2DHGs, welche im Rahmen dieser Arbeit hergestellt wurden.
Um zuverlässiges Probenmaterial für die Durchführung weiterführende Experimente
in externe Gruppen, die das Aufbringen einer Gate-Elektrode voraussetzen, bereit
stellen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit die prinzipielle Durchführbarkeit
der Gate-Prozessierung getestet. Die nachfolgenden Kapitel beschreiben auftreten-
de Hysterese-Effekte der mit einem Aluminium Top-Gate ausgestatteten 2DHG-
Strukturen in (001)-Richtung, sowie Untersuchungen zur Dichteabhängigkeit des
Rashba-induzierten Spin-Splittings des Schwerlochbandes. Zusätzlich wurden die so
prozessierten Proben zur Bestimmung des dominierenden Streuprozesses in den von
uns hergestellten 2DHGs verwendet. Ein Großteil der hierzu notwendigen Messun-
gen wurde während einer im Rahmen dieser Arbeit angeleiteten Diplomarbeit [19]
durchgeführt.
5.1
Hysterese-Effekt in 2DHGs mit Gate-Elektrode
Zur Untersuchung von Gate-Effekten wurden (001)-orientierte 2DHGs mit einem
Aluminium Top-Gate nach dem in Kapitel 3.2 vorgestellten Verfahren bedampft und
mit einer geritzten Hallbar-Struktur versehen. Anschließend wurden Durchbruch-
Spannungen V
D
und Leckstrom I
L
(von Gate zu 2DHG) mit Hilfe von I/V -Kurven
(siehe Kapitel 3.4) bestimmt. Bei der in den folgenden Messungen gezeigten Probe
handelt es sich um eine einseitig dotierte QW Struktur mit 80 nm Spacer-Breite und
x
Al
= 0.31. Die Probe wurde unter Berücksichtigung optimierter Wachstumsparame-
ter und einer Temperatur-Adaption während der Dotierung auf T
sub
∼ 600
◦
C herge-
stellt. Die Struktur zeigt nach Aufbringen des Gates die Dichte p = 1.7 × 10
11
cm
−2
,
500 mV < V
D
< 4V und für diesen Bereich einen konstanten Leckstrom I
L
< 200
pA.
Die Messungen wurden innerhalb der Grenzen des Drude-Bereichs, d.h. für kleine
B-Felder (∼ 400 mT) bei T = 1.2 K, durchgeführt. Dadurch eröffnet sich die Mög-
lichkeit, Ladungsträgerdichten in ihrer zeitlichen Entwicklung zu beobachten, da für
die Bestimmung der Dichte lediglich der Hallwiderstand für ein endliches Magnet-
feld gemessen werden muss, woraus die Steigung der Hallgerade unter der Annahme
von R
xy
= 0 Ω für B
0
= 0 T errechnet werden kann. Um etwaige Remanenzeffek-
te der supraleitenden Magnetspule zu korrigieren, ist es ausreichend zu Beginn der
Messung einen Sweep des B-Feldes durchzuführen, welcher z.B. bei einem kleinen
B-Feld beginnt, B
0
mit einschließt und bei B
mess
, dem B-Feld bei dem die Messung
durchgeführt werden soll endet. Durch Ermittlung des realen B-Feldes für welches
R
xy
= 0 Ω erfüllt ist, kann die Steigung der im Laufe der Messungen gewonnenen
Hallgeraden korrigiert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass während der gesam-
ten Messung das B-Feld nicht verändert werden darf, da sonst die Remanenz des

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Kapitel 5. Gate-Effekte in kohlenstoffdotierten 2DHGs
0
10
20
30
40
50
60
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
 
p
(1
0
1
1
c
m
-2
)
Zeit t (min)
p
3
p
2
p
1
V
G
a
te
(m
V
)
Abbildung 5.1: Zeitlicher Verlauf der Loch-Dichte (schwarz) und der korrespondierenden
Gate-Spannung (rot). Die farbigen Markierungen stellen unterschiedliche Bereiche nicht-
stabilisierbarer und stabilisierbarer Dichten dar (siehe Text).
Magneten von neuem bestimmt werden muss. In Abbildung 5.1 ist der Verlauf der
Lochdichte über die Zeit angetragen (schwarz), zusätzlich sind die zur Einstellung
der Dichten angelegten Gate-Spannungen (V
Gate
) eingezeichnet (rot). In den blauen
und grün markierten Bereichen ist zu sehen, dass die Dichte für kleine Werte von
V
Gate
zeitlich stabil einstellbar ist. Im Gegensatz dazu stabilisiert sich die Dichte
in den violett markierten Bereichen bei erhöhten Werten für V
Gate
nicht, obwohl
V
Gate
< V
D
erfüllt ist und der I
L
für diesen Bereich seinen Wert nicht verändert.
Für V
Gate
< 0V ist im violett markierten Bereich eine Zunahme der Dichte zu beob-
achten. Diese zeitliche Zunahme der Dichte hinterlässt ferner einen Memory-Effekt.
Ausgehend von der Dichte p
1
bei V
Gate
= 0 V werden in den grün gekennzeichne-
ten Bereichen die Dichte stufenweise stabilisiert eingestellt. Nach Durchlaufen des
nicht stabilisierbaren violetten Bereichs, kann die Ausgangsdichte p
1
nicht mehr
für V
Gate
= 0 V reproduziert werden. Die Dichte p
2
(V
Gate
= 0 V) ist deutlich er-
höht gegenüber p
1
. Der gegenteilige Effekt ist in der rechten Hälfte von Abbildung
5.1 zu beobachten. Nach Durchlaufen des violette markierten Bereichs, in welchem
zeitliche Verarmungseffekte präsent werden, ist p
3
gegenüber p
2
und p
1
deutlich ver-
ringert. Aufgrund des zeitlich längeren Aufenthalts in der rechten violetten Zone
ist der Effekt gegenüber der linken sogar deutlich verstärkt. Diese nur mit zufällig
gewählten Werte für V
Gate
durchgeführte Messung gibt Anlass zur genaueren Unter-
suchung dieses Memory-Effektes in einer weiteren Messung. In Abbildung 5.2a) ist

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