Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

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weiteren Verlauf werden Experimente zur Feststellung des dominierenden Streu-
prozesses vorgestellt, der die Limitierung der bisher erreichten Beweglichkeit der
Ladungsträger in den gewachsenen 2DHG-Strukturen festlegt. Dabei kann gezeigt
werden, dass die Obergrenze der Mobilität eines Proben-Designs durch den Einbau
von Verunreinigungen aus dem Restgas des Wachstums-Volumens der MBE-Anlage
in die Heterostruktur vorgegeben ist. Dies ist eine Bestätigung erfolgreich durchge-
führter Strukturoptimierungs-Maßnahmen.
Kapitel 6 beschäftigt sich mit dem Einfluss der Symmetrie des Einschlusspotentials
auf die Transportparameter wie Beweglichkeit µ, Transportstreuzeit τ
t
, Quanten-
streuzeit τ
q
, und deren Verhältnis, welches aufzeigt, ob mehr langreichweitige oder
kurzeichweitige Streupotentiale die Beweglichkeit limitieren. Ein weiterer wichtiger
Parameter, der direkt Rückschlüsse auf die Dispersion zulässt, ist die effektive Masse
m
∗
. Diese wird bestimmt und daraus der dimensionlose Wechselwirkungsparameter
r
s
ermittelt, der das Verhältnis aus Coulomb- und Fermienergie angibt und somit
ein Maß für die Stärke der Wechselwirkung der Ladungsträger untereinander ist.
Die notwendigen temperaturabhängigen Magnetotransportuntersuchungen werden
an [110]-orientierten 2DHGs durchgeführt. Dies lässt den Vergleich der anisotropen
[110]- und [001]-Transportachsen zu, wobei die [110]-Richtung sowohl in der (110)-
sowie in der (001)-Kristallebene Haupttransportachse ist. Die so gewonnen Para-
meter erlauben ein erweitertes Bandstruktur-Design, welches zwingend notwendig
ist, um massgeschneiderte 2DHGs für weiterführende Experimente bereitstellen zu
können.
Kaptiel 7 schließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung ab und gibt Ausblicke
auf weiterführende Experimente.

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Kapitel 2
Theoretische Grundlagen
2.1
Landungstransport in 2D-Halbleitersystemen
Ein zweidimensionales Elektronen- oder Lochgas (2DEG/2DHG) ist ein System in
dem Ladungsträger in ihrer Bewegungsfreiheit entlang einer Raumrichtung stark
eingeschränkt sind, sich jedoch in der orthogonal dazu liegenden Ebene frei be-
wegen können. 2D-Ladungsträgersysteme sind seit langem aus der Silizium MOS-
FET
1
Technologie bekannt. Hierbei bilden sich durch Anlegen einer Gate-Spannung
zweidimensionale, leitfähige Schichten an der Grenzfläche zwischen Silizium und
Siliziumoxid und schalten so den Fluss eines elektrischen Stroms von Source- zu
Drain- Kontakt frei. An solchen Systemen führte Klaus von Klitzing seine ersten
Arbeiten zum Quanten-Hall Effekt (QHE) durch, wofür er 1985 mit dem Nobel-
preis für Physik ausgezeichnet wurde [16]. Weitere Realisierungsmöglichkeiten für
2D-Ladungsträgersysteme sind in II/VI Halbleitersystemen wie Cadmiumtellurid
(CdTe) oder Zinkselenid (ZnSe) und III/V Halbleitersystemen wie Galliumarsenid
(GaAs) oder Galliumantimonid (GaSb) zu finden. In den letzten Jahren werden ver-
stärkt 2D-Systeme in reinen Graphit Monolagen (Graphen) untersucht.
Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Pe-
riodensystems werden vor allem dann für die Herstellung von 2D-Systemen ausge-
wählt, wenn der Fokus auf einem möglichst ungestörten Transport der Ladungsträger
im leitenden Kanal liegt. Prominenteste Vertreter sind hierfür sicherlich GaAs/AlGaAs
Heterostrukturen, deren ausgesprochen hohen Elektronenbeweglichkeiten zu der Vi-
sualisierung des fraktionalen QHE (fQHE) führte. Für dessen Entdeckung und theo-
retischen Beschreibung wurden H. Störmer, D. Tsui und R. Laughlin 1998 mit dem
Nobelpreis für Physik ausgezeichnet [4]. Entscheidend für die hohe Qualität der
Systeme sind zum einen die inhärenten hohen Beweglichkeiten der Elektronen im
Quantum Well (QW) aus GaAs, zum anderen die fast perfekte Anpassung der Git-
1
Metall-Oxid Halbleiter-Feldeffekttransistor
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2.1. Landungstransport in 2D-Halbleitersystemen
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terkonstanten der binären Halbleiter GaAs und AlAs (a
GaAs
= 5.653 Å und a
AlAs
=
5.661 Å bei 300K [17]), aber auch das Konzept der Modulationsdotierung, eingeführt
durch H. Störmer et al. im Jahre 1978 [18].
Das für ein 2D-System notwendige Einschlusspotential kann entweder durch die Ban-
danpassung am Übergang von Halbleitern unterschiedlicher Bandlücke (SI, single in-
terface) und einhergehender Dotierung des Halbleiters mit der größeren Bandlücke
realisiert werden, oder durch QW-Strukturen, bei welchen der Halbleiter mit gerin-
gerer Bandlücke beidseitig vom Halbleiter mit größerer Bandlücke flankiert wird.
Die räumliche Trennung von Dotierung und Einschlusspotential folgt dem Konzept
der Modulationsdotierung. Im Fall einer Dotierung mit Donatoren entsteht das Ein-
schlusspotential im Leitungsband am Ort des SI oder QW, wo das Leitungsband
mit Elektronen gefüllt wird. Wird nur das erste Subband mit Elektronen besetzt,
entsteht ein quasi-zweidimensionales System, welches als 2DEG bezeichnet wird.
Analog werden 2DHGs im Valenzband durch die Dotierung mit Akzeptoren ausge-
bildet. Die Dotierung kann vor, nach oder auf beiden Seiten des Einschlusspotentials
(I)
(II)
(III)
Abbildung 2.1: Bandstrukturen von gängigen 2DHGs im GaAs/AlGaAs Heterosystem.
(I) MDSI, (II) dsd QW und (III) ssd QW, aus [19].
platziert werden, wobei SI-Strukturen stets nur einseitig dotiert werden können. Ab-
bildung 2.1 gibt einen Überblick über gängige Bandstrukturverläufe für 2DHGs im
GaAs/AlGaAs Heterosystem. Die in dieser Arbeit verwendeten und in der Fachge-
meinschaft gängigen Bezeichnungen sind MDSI
2
für Struktur I, dsd
3
QW für Struk-
tur II und ssd
4
QW für Struktur III. Strukturen mit ausschließlich invertierter Do-
tierung oder mehreren QWs finden in dieser Arbeit keine Anwendung, sollen aber in
Hinblick auf Vollständigkeit Erwähnung finden. Eine allgemeine Beschreibung zur
Entstehung derartiger Bandverläufe mit Schwerpunkt auf 2DEGs kann z.B. den Re-
ferenzen [20] und [21] entnommen werden.
Da sich diese Arbeit ausschließlich mit der Herstellung und Charakterisierung von
2DHGs befasst, soll hier kurz auf die Quantifizierung des nichtkontinuierlichen Band-
verlaufes an der Grenzfläche von GaAs und AlGaAs im Valenzband eingegangen wer-
2
modulation doped single interface
3
double sided doped
4
single sided doped

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