Hochbewegliche zweidimensionale Lochsysteme in GaAs/AlGaAs

125
cm
2
/Vs entlang der [001]-Transportachsen bei p = 1.3 × 10
11
cm
−2
und T = 30 mK.
Dies stellt in Bezug auf bisherige Veröffentlichungen eine Steigerung der Mobilität
um den Faktor 6.5 in der (110)-Ebene dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden wei-
terhin erstmalig (110)-orientierte 2DHGs mit einer maximalen Beweglichkeit von
µ = 0.6 × 10
6
cm
2
/Vs bei p = 1.3 × 10
11
cm
−2
auf den Spaltkanten ex-situ präpa-
rierter (001)- und (110)-Substrate (precleave) gewachsen. Der Vergleich identischer
Substrat- und Precleave-Strukturen lässt kaum unterschiede in der Ausprägung frak-
tionaler Zustände erkennen. Es können die fQHE-Zustände ν = 5/3, 4/3, 2/3 sowie
ν = 3/5, 1/2, 2/5 und 1/3 bestätigt werden. Ferner zeigt sich durch Analyse der
für kleine B-Felder beobachtbaren Schwebungen eine identische Aufspaltung der
Schwerloch-Subbänder, was die Gleichförmigkeit der in diesem Fall asymmetrischen
Einschlusspotentiale bestätigt.
Mittels Gate-Experimenten an optimierten (001)-orientierten QW-Strukturen konn-
te ein auftretendes Hysterese-Verhalten der Lochdichte in Bezug auf Gate-Spannungen
beobachtet und detailliert beschrieben werden. Die Ursache für ein Auftreten des
Effekts konnte auf den Einbau von Kohlenstoff als tiefe Störstelle eingegrenzt wer-
den. Die Kontrollierbarkeit der Hysterese erlaubt Magnetotransportmessungen einer
Probe bei unterschiedlichen Dichten mit der Gate-Elektrode auf Massenpotential
und somit unter völliger Abwesenheit etwaiger Leckströme. Ferner zeigen verglei-
chende Messungen die Äquivalenz des Einflusses interner oder externer elektrischer
Felder auf die Ausprägung des Rashba-Effekts. Mittels Gate-Experimente konnte
außerdem der für die Limitierung der Beweglichkeit verantwortliche Streuprozess
als background impurity scattering bestimmt werden, was einen Beweis für die Op-
timierung der Strukturparameter darstellt.
Temperaturabhängige Magnetotransportuntersuchungen an (110)-orientierten 2DHGs
mit unterschiedlicher Geometrie des Einschlusspotentials erlauben erstmalig die
transportrichtungsabhängige Bestimmung von effektiver Masse m
∗
und Quanten-
streuzeit τ
q
in dieser Kristallorientierung. Abhängig vom Struktur-Design konnten
isotrope Werte 0.22m
0
< m
∗
< 0.72m
0
und deren starke Abhängigkeit von der Loch-
dichte gemessen werden. Ferner konnten stark anisotrope Quantenstreuzeiten bis zu
τ
q
= 7.6 ps beobachtet werden, deren Vergleich mit Transportstreuzeiten τ
t
(τ
t,max
=
421 ps) die Feststellung der Dominanz langreichweitiger Kleinwinkel-Streuprozesse
in mindestens zwei der gemessenen Strukturen erlaubt. Das abweichende Verhal-
ten einer dritten 2DHG-Struktur wird auf die Lage der Fermienergie in der un-
mittelbaren Umgebung eines Anti-Crossing-Bereichs der Schwerlochsubbänder zu-
rückgeführt. Diese These wird gestützt durch die Beobachtung einer sprunghaften
Amplitudenentwicklung der SdH-Oszillationen bei T = 450 mK. Ferner konnte ein
aperiodisches Verhalten der Minima von SdH-Oszillationen im inversen B-Feld im
Valenzband nichtmagnetischer Halbleiterstrukturen beobachtet werden und ursäch-
lich auf das Auflösen sehr vieler Crossing-Bereichen im Bereich großer Füllfaktoren
im komplexen Landaufächer von 2DHGs zurückgeführt werden. Im Weiteren wur-

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126
Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick
de der dimensionslose Wechselwirkungsparameter r
s
für die verschiedenen Struk-
turgeometrien berechnet und dessen Abhängigkeit von den Symmetrieeigenschaften
der 2DHGs festgestellt. Es wurde gezeigt, dass mit Hilfe temperaturabhängiger Ma-
gnetotransportuntersuchungen eine Vielzahl von Probenparameter bestimmt werden
können, welche für ein erweitertes Struktur-Design, das für die Herstellung maßge-
schneiderter, auf die Anforderungen weiterführender Experimente zugeschnittener
2DHGs zwingend notwendig sind.
Die Optimierung von 2DHG-Strukturen ist durch die vorliegende Arbeit keines-
falls als abgeschlossen zu betrachten. Es ist sehr wahrscheinlich, dass durch Op-
timierung des Einbauverhaltens von Kohlenstoff in die Kristallstruktur und durch
die Übertragung der von Umansky et al. [129] vorgestellten SPSL-(short-period-
superlattice) Dotierung auf 2DHG-Strukturen eine weitere Beweglichkeitssteigerung
von Löchern erzielt werden kann. Ferner ist zu erwarten, dass die Ausprägung frak-
tionaler QHE-Zustände durch erhöhte Ordnung der Coulomb-Potentiallandschaft
in 2DHGs weiter zunimmt. Die aus temperaturabhängigen Magnetotransportun-
tersuchungen gewonnen Einblicke in 2DHG-Eigenschaften können für ein erweiter-
tes Bandstruktur-Design eingesetzt werden. Dieses erlaubt die Herstellung maßge-
schneiderter Proben z.B. für Experimente zum Metall-Isolator Übergang [125] mit
großem r
s
, für Spintronik-Applikationen [127] mit stark ausgeprägtem Rashba Spin-
Splitting bei gleichzeitiger Gewährleistung hinreichend hoher Ladungsträgermobi-
litäten, oder die Herstellung geeigneter 2DHGs zur Bestätigung des Spin-Hall Ef-
fekts [128], sowie für die zur Beobachtung der Wechselwirkung sich kreuzender,
ausgedehnter Zustände unterschiedlicher Landauniveaus notwendigen Strukturen in
Zyklotron-Resonanzexperimente [44]. Ferner kann die Ergänzung des erweiterten
Bandstruktur-Designs durch numerischen Simulationen zu einem vertiefenden Ver-
ständnis der komplexen Abhängigkeiten von Struktureigenschaften im Valenzband
von 2D-Systemen in GaAs/AlGaAs Heterostrukturen beitragen.

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Literaturverzeichnis
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6
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127

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