Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

122
Kapitel 6. T-abhängige Magntotransportuntersuchungen an (110) 2DHG
samkeit geschenkt. Es ist jedoch zu beachten, dass durch den Grad der Ordnung
in einer 2D-Struktur das Verhalten von Ladungsträgern im QHE-Regime überaus
stark beeinflusst wird. Dies wird sehr deutlich in der erst kürzlich veröffentlichten
Arbeit von Umansky et al. [129], die mit Hilfe eines neuartigen Bandstrukturdesi-
gns, das auf dem Prinzip der SPSL-Dotierung (short-period superlattice) basiert,
die Unabhängigkeit der Ausprägung bei ν = 5/2, ν = 7/3 und ν = 8/3 Zustände
von µ und τ
q
für ultra-hochbewegliche 2DEGs zeigen konnten. SPSL-Dotierungen
erlauben eine starke Überdotierung ohne parallele Kanäle auszubilden. Diese so in
einer größeren Dichte in den Kristall eingebauten Donatoren erhöhen durch ihre ver-
stärkte Wechslwirkung die Ordnung der durch die Dotier-Ionen erzeugten Coulomb-
Potentiallandschaft. Diese Zunahme der Ordnung steht in direktem Zusammenhang
mit der Ausprägung genannter fraktionaler QHE-Zustände. Dies ist ein weiteres
Beispiel für die Notwendigkeit eines erweiterten Bandstruktur-Designs. Das SPSL-
Dotier Verfahren wurde bisher an 2DHG-Strukturen noch nicht getestet. Es sind
aber keine offensichtlichen Gründe ersichtlich, welche der prinzipiellen Übertragbar-
keit auf Akzeptoren widersprechen.

---

Kapitel 7
Zusammenfassung und Ausblick
Die vorliegende Arbeit mit ihrem Fokus auf das GaAs/AlGaAs Halbleiter-Heterosystem
versucht mit einem Brückenschlag die Lücke in der Literatur zwischen zahlloser Ver-
öffentlichung zu den Eigenschaften hochbeweglicher 2D-Systeme in Halbleiterstruk-
turen und kaum explizit veröffentlichter Methoden zu deren Herstellung zu schlie-
ßen. Wie Molekularstrahlepitaxie prinzipiell funktioniert, ebenso wie 2D-Elektron-
oder Loch-Gase mittels des MBE Verfahrens herzustellen sind, kann mit Hilfe von
Lehrbüchern zum entsprechenden Thema leicht eruiert werden. Das spezielle Wis-
sen bezüglich des Wachstums hochbeweglicher 2DEGs mit Elektronenbeweglich-
keiten von mehr als 10
7
cm
2
/Vs ist weltweit jedoch nur einer Hand voll Arbeits-
gruppen vorbehalten. Das Wissen um die Methoden zur Herstellung hochbeweg-
licher 2DHGs beschränkt sich auf einen noch engeren Kreis. Alle bisher veröf-
fentlichten Tieftemperatur-Beweglichkeits-Rekorde in 2DEG-Strukturen wurden im
GaAs/AlGaAs Halbleitersystem bei Transport in der (001)-orientierten Kristall-
Ebene beobachtet. Für 2DHGs war dies bis heute nicht der Fall.
Seit der ersten erfolgreichen Herstellung eines 2DHGs im GaAs/AlGaAs-Heterosystem
durch Störmer und Tsang im Jahre 1980 wurde bis heute überwiegend Beryllium
zur p-Dotierung hochbeweglicher Lochgase in der (001)- und (110)-Wachstumsebene
eingesetzt. Die Steigerung der Qualität derart dotierter Proben verlief über die Jahre
aufgrund des sehr diffusiven und segregierenden Verhaltens von Beryllium in GaAs
nur mäßig. Die das Wachstum von 2DHGs bestimmende Innovation der 90er Jahre
war es, Silizium als Akzeptor in (311)A-orientierten Heterostrukturen einzusetzen.
Dies führte zwar zu einer deutlichen Zunahme der Beweglichkeiten in 2DHGs, war je-
doch explizit auf diese eine, exotische Kristallrichtung beschränkt, welche ein grosses
Maß an wachstumsbedingten Anisotropie-Effekten aufweist. Kohlenstoff wurde seit
langem als geeignetes Akzeptor-Element in GaAs/AlGaAs Strukturen eingesetzt,
und ist bekannt für die hohen erzielbaren Dotierkonzentrationen. Zur Bereitstellung
von Kohlenstoff sind jedoch so genannte Trägergase wie CBr
4
erforderlich, welche
in der MBE thermisch gecrackt werden müssen, um atomaren Kohlenstoff für den
123

---

124
Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick
Einbau in den Kristall zur Verfügung stellen zu können. Aufgrund der damit ver-
bundenen Verunreinigung ist dieses Verfahren nicht geeignet hochbeweglichen 2D-
Systemen in MBE-Anlagen herzustellen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich erstmalig in diesem Umfang mit der Im-
plementierung einer geeigneten Kohlenstoffquelle in eine hochbeweglichkeits-MBE
Anlage und zeigt Methoden zum erfolgreich Wachstum hochbeweglicher 2DHG-
Strukturen in den (001)- und (110)-orientierten Kristallebenen. Mit Mobilitäts-
Werten größer 10
6
cm
2
/Vs in beiden Transportebenen der hergestellten Strukturen
konnten sämtliche bisher veröffentlichte Rekordwerte zur Leitung von Löchern um
ein Vielfaches überboten werden.
Diese Arbeit gibt keine auf anderen MBE-Systeme einfach übertragbare Bauanlei-
tung für das Wachstum hochbeweglicher 2DHGs, sondern zeigt systematisch die
notwendigen Experimente auf, welche für eine erfolgreiche Optimierung von 2D-
Lochgasen durchgeführt werden müssen, um derartige Qualitätssteigerungen zu er-
zielen. Dabei ist die Art der durchzuführenden Untersuchungen für die Optimierung
von 2DHG- und 2DEG-Strukturen prinzipiell nicht unterschiedlich. Die stark ausge-
prägten Effekte der Spin-Bahn Wechselwirkung im Valenzband von GaAs/AlGaAs-
Heterosystemen wurden jedoch als zusätzliche Möglichkeiten zur Analyse der Trans-
porteigenschaften von Löchern in Hinblick auf die Qualität hochbeweglicher 2DHGs
verwendet.
Für das Wachstum auf (001)-orientierten GaAs-Substraten konnte eine optimiertes
Bandstruktur-Design mit einer QW-Breite von 15 nm und Spacer Dicke von 80 nm
entwickelt werden, welche bei einer Temperatur von T = 30 mK eine Beweglichkeit
µ = 1.2 × 10
6
cm
2
/Vs bei einer Löcherdichte von p = 2.3 × 10
11
cm
−2
aufzeigt und
bisher veröffentlichte Mobilitäten von Be-dotierten Lochgasen in dieser Kristallori-
entierung um den Faktor 3 überbietet. Ebenso gelang es in dieser Struktur die frak-
tionalen QHE-Zustände ν = 2/3, 3/5, 4/7 und 5/9, sowie ν = 4/3, 5/3, 5/2 und 7/2
zu beobachten. Mit Hilfe der stark ausgeprägten SdH-Oszillationen schon bei kleinen
B-Feldern konnte die Schwebung, verursacht durch die Überlagerung unterschiedli-
cher Dichten Spin-aufgespalteter Schwerlochbänder beobachtet werden. Deren Ana-
lyse bestätigt die hohe Symmetrie des Einschlosspotentials der beidseitig-dotierten
QW-Struktur. Die Variation von Wachstumsparametern führte nicht nur zu einer
Beweglichkeitssteigerung von einseitig-dotierten QW-Strukturen auf µ = 1.1 × 10
6
cm
2
/Vs bei p = 1.3 × 10
11
cm
−2
und T= 1.2 K, sondern gibt auch Einblicke in
das Einbauverhalten von Kohlenstoff in die Kristallstruktur. Die Einbaueffizienz
kann sowohl durch eine Anpassung des Arsenangebots als auch durch Adaption der
Substrattemperatur während des Dotiervorgangs gesteigert werden. Beleuchtungs-
Experimente geben weiterhin einen Hinweis auf den Einbau von Kohlenstoff als tiefe
Störstelle.
Die Übertragung des Wachstum auf (110)-orientierte GaAs-Substrate erlaubt die
Herstellung von 2DHGs mit µ = 1.1×10
6
cm
2
/Vs entlang der [110]- und µ = 0.5×10
6

---