Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

5.1. Hysterese-Effekt in 2DHGs mit Gate-Elektrode
91
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
V
G
a
te
(V
)
p (10
11
 cm
-2
)
                            T=1.5 K 
stabilisation time t
s
 = 10 s
0
100
200
300
400
500
-0.48
-0.40
-0.32
-0.24
-0.16
-0.08
0.00
0.08
0.16
0.24
0.32
0.40
0.48
Messschritte
V
Gate
 (V)
Abbildung 5.2: a) Reaktion der Loch-Dichte auf stufenweise Veränderung der Gate-
Spannung bei T = 1.2 K; b) Durchlaufene Gate-Sequenz mit ∆V
Gate
= 10 mV und ∆t =
10 s. Jeder Punkt repräsentiert eine Einzellmessung der Ladungsträgerdichte (siehe Text).
die Reaktion der Lochdichte auf systematische veränderte Werte der Gate-Spannung
angetragen. Die Gate-Spannung wird nach den in Abbildung 5.2b) gezeigten Inter-
vallen im zeitlich konstanten Abstand von ∆t = 10 s um ∆V
GAte
= 10 mV verändert.
Insgesamt werden so 480 Messpunkte für die Dichte aufgenommen. Der veränderte
Ausgangswert der Dichte (Basis des langen blauen Pfeil) ist auf den Memory-Effekt
vorausgegangener Experimente zurückzuführen.
Ausgehend vom Startwert bei V
Gate
= 0 V und p = 1.2 × 10
11
cm
−2
wird V
Gate
in 40
Schritten auf 0.4 V erhöht. Man sieht, dass die Dichte zunächst wie erwartet linear
folgt. Bei etwa V
Gate
= 0.2 V verändert sich das monotone Verhalten und die Dich-
te geht in Sättigung bzw. verringert sich nur noch minimal bei weiter steigender
Gate-Spannung (blau markierte Bereiche). Wird V
Gate
nach Erreichen des Schei-
telpunktes bei 0.4 V wieder stufenweise verringert, verlässt die Dichte instantan
den Sättigungsbereich und folgt wieder linear der Gate-Spannung. Dieses Verhalten
ist auch im weiteren Verlauf der Kurve zu beobachten. Erreicht V
Gate
einen Wert
von etwa -0.1 V, geht die Dichte, diesesmal für hohe Werte, in einen Sättigungs-
bereich über, bzw. die Dichte wird minimal reduziert bis zum erneuten Erreichen
des Scheitelwertes bei V
Gate
= -0.4-V. Die folgende Erhöhung von V
Gate
veranlasst
die Dichte sofort wieder linear der Gate-Spannung zu folgen. Diese geschlossenen
Hysterese-Schleifen können im weiteren Verlauf für die Scheitelwerte V
Gate
= 0.32
V, V
gate
= 0.24 V verfolgt werden. Für die Scheitelwerte V
Gate
= 0.16 V und V
Gate
= 0.08 V verschwindet die Hysterese der Dichte (orange markierter Bereich) und
kann als reproduzierbar modulierbar beschrieben werden. Es ist zu beachten, dass

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Kapitel 5. Gate-Effekte in kohlenstoffdotierten 2DHGs
sich der Messzyklus an jeder Stelle der nicht blau markierten Bereiche unterbre-
chen lässt und die Dichte sich über Stunden stabil verhält. Eine Verlängerung der
Zeit zwischen zwei aufeinander folgender Messpunkte würde lediglich die Steigung
in den blau markierten Bereichen ändern, sonst aber keinen Einfluss auf die ge-
wonnen Ergebnisse haben. Das Auftreten eines Hysterese-Effekts bei 2D-Systemen
mit Gate wurde bisher in der Literatur nicht diskutiert. Lediglich Grbic et al. [108]
erwähnen das Auftreten einer Hysterese im Zusammenhang mit Finger-Gates zur
Strukturierung von Quantenpunkt-Kontakten auf kohlenstoffdotierten 2DHGs her-
gestellt von Reuter. Die anomale Reaktion der Loch-Dichte in 2DHGs auf Verände-
rungen der Gate-Spannung ist nicht zweifelsfrei auf eine Ursache zurück zuführen.
Es kann jedoch ausgeschlossen werden, dass es sich um ein Leckstrom-Phänomen
handelt, da in identisch strukturierten, hochbeweglichen 2DEGs, mit Leckströmen
der gleichen Größenordnung, keine Hysterese im Rahmen dieser Untersuchungen
beobachtbar war. Ferner kann es sich um keine versehentlich in die Struktur ein-
gebaute Fremdatome und einhergehender Ausbildung tiefer Störstellen handeln, da
die parallel untersuchten 2DEGs unter den exakt gleichen Bedingungen bezüglich
Qualität des Restgases in der MBE gewachsen wurden. Als mögliche Ursachen für
die Ausbildung von Zuständen in den 2DHG-Strukturen, welche durch Anregung be-
füllt bzw. entleert werden könnten, verbleibt das Einbauverhalten des Kohlenstoffes
oder der Einbau von Fremdatomen aus der verwendeten Kohlenstoff-Filamentquelle.
Der Einbau von Verunreinigungen aus der Filamentquelle scheint unwahrscheinlich
oder zumindest zweitrangig, da bereits Dichtemodulations-Effekte beobachtet wer-
den konnten, welche nur aus der Veränderung der Substrattemperatur während der
Dotierung resultieren (siehe Kapitel 4.2). Die Leistung der Filamentquelle und so-
mit die Filamenttemperatur wurden für diese Experimente konstant gehalten. Es
müssten somit stets die gleiche Menge an Verunreinigungen von der Quelle zur
gewachsenen Probe gelangt sein. Ferner würde dieser Umstand voraussetzen, dass
die Menge an Fremdatomen aus der Quelle von der gleichen Größenordnung wie
die Menge der Kohlenstoff-Atome sein müsste, um Dichtemodulations-Effekte die-
ses Umfangs verursachen zu können. Dieser Umstand scheint sehr unwahrscheinlich.
Die Größenordnung des Modulations-Effektes zusammen mit dem Umstand der Ver-
änderung der Ladungsträger-Dichte durch Dotierung bei unterschiedlichen Substrat-
Temperaturen lässt den Schluss zu, dass die Ursache der Hysterese ausschließlich im
Einbauverhalten der Kohlenstoffatome während des Kristall-Wachstums zu finden
ist. Offensichtlich bilden Kohlenstoffatome in AlGaAs-Schichten Zustände aus, wel-
che mit Löchern durch optische oder elektrische Anregung persistent befüllt bzw.
entleert werden können.
Das Einbauverhalten von Kohlenstoff scheint zunächst zusätzliche Schwierigkeiten
im Wachstum von 2DHGs und deren Kontrollierbarkeit mittels Gate-Elektroden
aufzuwerfen. Die Optimierung des Kohlenstoffeinbaus mit Hilfe der hier vorgestell-
ten Experimente kann jedoch Anstoß für weiterführende Arbeiten geben, welche das

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