Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

5.2. Spin-Bahn Kopplung in 2DHGs mit Gates
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Potential haben, die bisher erzielten Beweglichkeiten in 2DHGs weiter zu überbie-
ten. Ferner kann die Dichte der Löcher in den hier vorgestellten Struktur über einen
weiten Bereich von (0.65 < p < 2.2) ×10
11
cm
−2
kontrolliert und reproduzierbar ein-
gestellt werden (Abbildung 5.2, orange markierter Bereich und dessen Parallelen).
Ein weiteres Novum bietet die Möglichkeit, unter Ausnutzung des Hysterese-Effekts
die Dichten in einem 2DHG persistent einzustellen um bei V
Gate
= 0 V Messungen
unter vollständiger Abwesenheit von Leckströmen durchzuführen. Der grün markier-
te Bereich in Abbildung 5.2 illustriert diesen Zusammenhang. Nach Durchlaufen der
Hystereseschleifen mittels Anlegen von geeigneten Gate-Spannungen, können belie-
bige Dichten im Bereich (0.65 < p < 2.1) ×10
11
cm
−2
eingestellt werden. Dieser
Effekt soll für die Experimente des nächsten Unterkapitels verwendet werden.
5.2
Spin-Bahn Kopplung in 2DHGs mit Gates
Das Befüllen bzw. Entladen von Störstellen in Halbleitern ist verbunden mit ei-
ner Veränderung der internen Elektrostatik der Bandstruktur. Sofern die Störstellen
in der unmittelbaren Umgebung der δ-Dotierung lokalisiert sind, ist dieser Vorgang
gleichzusetzen mit einer Änderung der Dotierstärke in der Heterostruktur. Die räum-
liche Trennung von Dotier-Ionen und freien Ladungsträgern erzeugt interne elektri-
sche Felder im Bandverlauf, welche die Symmetrie des Einschlusspotentials vorge-
ben. Im Falle des Valenzbandes in GaAs verursacht die Asymmetrie der Struktur
eine Aufspaltung der Schwerloch-Subbänder nach ihrer jeweiligen Spin-Orientierung.
Für die Ausprägung des Rashba induzierten Spin-Splittings und der einhergehenden
Kopplungs-Effekte der Subbänder für feste Werte von k sind, neben intrinsischen
Eigenschaften des Halbleiters, ausschließlich die Stärken etwaiger, zur Ebene des
Einschlusspotentials senkrechter, elektrischer Felder E
senk
verantwortlich. Dabei ist
es ohne Bedeutung, ob E
senk
in die Kristallstruktur eingebaut, oder von außen an-
gelegt wird.
Mittels Ausnutzung des im vorangehenden Abschnitt diskutierten Hysterese-Effekts
bietet sich die Möglichkeit, die Ladungsträgerdichte und Symmetrieeigenschaft ei-
ner 2DHG-Struktur variabel im Vorfeld der Transportmessung einzustellen. Dadurch
können Messungen unter völliger Abwesenheit von Leckströmen aber auch ohne ex-
terne, durch das Potential einer Gate Elektrode induzierte, elektrische Felder durch-
geführt werden. Parallel dazu sind in derselben Probe Messungen, bei denen Dichte
und Symmetrieeigenschaften konventionell mittels Gate moduliert werden realisier-
bar. Es eröffnet sich somit die Möglichkeit des direkten Vergleiches der Einflüsse
interner- und externer elektrischer Felder äquivalenter Stärke auf die Ausprägung
des Rashba induzierten Spin-Splittings in nur einer 2DHG-Struktur. Für nachfolgen-
de Experimente wurde die Dichte der in Kapitel 5.1 vorgestellten Struktur mittels
Gate- und Hysterese-Effekt je auf möglichst identische Werte eingestellt. In Abbil-

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Kapitel 5. Gate-Effekte in kohlenstoffdotierten 2DHGs
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0
 V
Gate
 =  0 mV;     p = 0.86 10
11
 cm
-2
 V
Gate
 = -150 mV; p = 0.85 10
11
 cm
-2
R
x
x
(
a
.u
.)
B (T)
 V
Gate
 =  0 mV;    p = 1.25 10
11
 cm
-2
 V
Gate
 = +50 mV; p = 1.24 10
11
 cm
-2
Abbildung 5.3: Verlauf R
xx
über B bei T = 350 mK nach Einstellung identischer La-
dungsträgerdichten mittels Gate-Potential (orange) und Memory-Effekt (grün) für die
p = 1.25 × 10
11
cm
−2
(oben) und p = 0.85 × 10
11
cm
−2
(unten).
dung 5.2 und 5.3 ist die Variation der Dichte mittels Gate als oranger-, mit Hilfe
des Hysterese-Effekts als grüner Bereich markiert. Die Probe wurde im
3
He-Bad
bei T = 350 mK vermessen. Abbildung 5.3 zeigt die korrespondierenden Verläufe
von R
xx
für die Dichten p = (1.24 und 1.25) × 10
11
cm
−2
(oben) und p = (0.86
und 0.85) × 10
11
cm
−2
(unten). Es ist deutlich zu erkennen dass die Methode zur
Einstellung der Dichte keinen Einfluss auf die Qualität der SdH-Oszillationen hat,
wobei für die mit Memory-Effekt eingestellten Dichten (grün) ein deutlich verstärk-
ter positiver Magnetowiderstand zu erkennen ist. Dieser wird in der Literatur [109]
auf Teilchen-Teilchen Wechselwirkungen zurückgeführt. Es ist zu Beachten, dass die
Auswertung der Beweglichkeit für beide Einstellungsmethoden zur gleichen Dich-
te auch im Rahmen der Messgenauigkeit identische Mobilitäten ergeben hat. Dies
lässt die Aussage zu, dass die Methoden zunächst nur in deren Einfluss auf die
Löcher-Löcher WW zu unterscheiden ist. Die in den SdH-Oszillationen für große
Füllfaktoren ersichtlichen Schwebungen (siehe Abbildung 5.3) sind bei T = 350 mK
wesentlich schwächer ausgeprägt als dies in den Messungen bei 30 mK der Fall ist
(siehe z. B. Abbildung 4.4 für (001)-orientierte dsd-QW Struktur). Jedoch ist de-
ren Auflösung hinreichend gut, um die Fourieranalyse (Kapitel 3.4) zur Berechnung

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