Diskussion des MIT

Die Mechanismen und Ursachen dieses magnetfeldgetriebenen MIT sind noch nicht vollständig geklärt. Jedoch bestätigen zusätzlich die an drei Proben aufgenomme-nen SIMS Profile³ die Vermutung, dass als Ursache des MIT Mn-Ionen im InAs-QW angenommen werden können. Beim Wachstum von GaMnAs ist bekannt, dass

Ato-0 30 60 90 120 150

Abbildung 6.21:SIMS Messungen von links nach rechts der Strukturen ssd(833), dsd(A) (alt) und ssd-inv(A). Gezeigt sind die Absolutwerte des Messsignals, eine Elementzusam-mensetzung kann nicht gegeben werden.

me bereits während des Wachstums an die Oberfläche diffundieren und dort in die Schichten eingebaut werden können. In Abbildung 6.21 sind die SIMS Profile von links nach rechts der Proben ssd (833), dsd(A) (alt) und ssd-inv(A) (alt) zu sehen.

Da das SIMS Signal nicht auf die einzelnen Elemente geeicht ist, kann aus die-sen Messungen bisher keine quantitativen Aussage zur Materialzusammensetzung getroffen werden. Die vertikale Auflösung ist im Bereich der InAs QW-Breite von 4nm, so dass bezüglich der Elementzusammensetzung im InAs Kanal ebenso nur qualitative Aussagen getroffen werden können[92]. Der Vergleich der Flankensteil-heit der einzelnen Elemente lässt aber Aussagen darüber zu, welche Atomarten an den Heteroübergängen relativ zueinander wie weit in Wachstumsrichtung noch zu finden sind. Am Beispiel des SIMS Profils von ssd (833) (Abbildung 6.21 linkes Bild) weist die unterschiedliche Flankensteilheit von Mn (rot) und Gallium (bordeaux) von der Oberfläche aus in die Tiefe darauf hin, dass Mn (flacherer Anstieg) in höheren Konzentrationen an der Oberfläche zu finden ist als Ga.

3Die SIMS Messungen wurden am Institut of Physics, Polish Academy of Science, Warszawa, Poland durchgeführt.

Im Überblick lässt sich aus den Ergebnissen der unterschiedlichen Messungen zu-sammenfassen, dass der Übergang vom isolierenden Zustand zum metallischen nur durch ein senkrecht zum InAs QW angelegtes Magnetfeld erreicht werden kann. Die-ser Übergang hängt wesentlich vom Verhältnis der Anzahl von freien Löchern und Mn Atome im QW, bzw. nahe dem QW ab (yM IT = ^{xM n}_p ). Zusätzlich zeigt der MIT abhängig von diesem Verhältnis unterschiedliche Skalierungen mit der Temperatur.

Der MIT weist bezüglich des Magnetfeldes eine Hysterese auf. Bei Strukturen, bei denen das Loch zu Mn Verhältnis (y) kleiner wird, steigt der Widerstand bis in den TΩ Bereich und zusätzlich treten Sprünge im Widerstand auf. Die Sprunghöhe erreicht mehrere Dekaden. Sprunghöhe und Sprungfeld (BM IT) hängen ebenso von y ab wie die Ausgeprägtheit der Hysterese.

Es ist bekannt, dass der InAs-QW aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen In0.75Ga0.25As und InAs kompressiv verspannt ist. Daraus kann sofort geschlossen werden, dass die

Momente der Mn-Ionen im QW senkrecht zu diesem ausgerichtet sind [93]. Ebenso

Energie

Abbildung 6.22: Schematische Darstellung der Aufspaltung der Subbänder im Valenz-band eines kompressiv verspannten III-V QWs für zwei Orientierungen der Magnetisierung M. Links ist das Magnetfeld und somit auch die Magnetisierung senkrecht zum QW, also in Wachstumsrichtung orientiert, rechts parallel zum QW, nach [93].

bewirkt die kompressive Verspannung eine Orientierung der Spins der freien La-dungsträgern des Schwerlochbandes (HH) senkrecht zum QW [94]. Das HH-Band ist das energetisch höchstgelegene Subband, so dass in diesem der Transport statt-findet. Bei senkrecht angelegtem Magnetfeld, spaltet dieses durch die Zeemanenergie auf. Wird ein Magnetfeld parallel zur QW Ebene angelegt, so bleibt das HH-Band davon unbeeinflusst [93], jedoch wird das Leichtlochband (LH) durch die Zeemann-energie aufgespalten. Dies ist schematisch in Abbildung 6.22 skizziert. Bei einer bestimmten Magnetfeldstärke führt dies zu einem Anticrossing zwischen HH- und LH-Subband.

6.4. Transport an invertierten Strukturen im mK Bereich 125

Berechnungen an stark verdünnten paramagnetischen GaMnAs QWs ergeben, dass die pd Austauschwechselwirkung in diesem System stark antiferromagnetisch ist [95]. Durch die verspannungsinduzierte Ausrichtung der magnetischen Momente der

InAlAs:Mn InAlAs spacer

InGaAs InAs InGaAs

B < B

B > B

Abbildung 6.23: Schematische Darstellung des Mechanismus des magnetfeldabhängigen MIT mit B_⊥<BM IT (links) und B_⊥>BM IT (rechts).

Mn-Ionen und der Löcher im InAs Kanal senkrecht zum QW führt dies zu einer starken antiferromagnetischen Kopplung zwischen den freien Löchern und den Mn-Momenten im QW.

Diese Konfiguration kann als Spin-Singulett Zustand gesehen werden [96]. Dieser Zustand ist energetisch günstig, so dass der Bohrradius also der Abstand zwischen Loch und Ion sehr gering ist und das Loch als Folge dessen stark an das Mn-Ion gekoppelt ist. Diese Löcher stehen zum Ladungsträgertransport nicht weiter zur Verfügung, sind also stark lokalisiert. Wird nun ein Magnetfeld senkrecht zum QW angelegt und erhöht, erfolgt durch die Ausrichtung von Lochspin und Mn-Moment parallel zum Magnetfeld ein Phasenübergang vom Spin-Singulett zum Spin-Triplett Zustand. Aufgrund des Pauli Prinzips wird die Kopplung zwischen Mn-Ion und Loch erheblich verringert und somit der Abstand zwischen den beiden vergrößert. Das Loch wird delokalisiert und kann wieder zum Ladungstransport beitragen. Dieser Phasenübergang erfolgt abhängig von Struktur, Temperatur und dem Verhältnis y bei einer bestimmten MagnetfeldstärkeBM IT. Dieser Mechanismus ist in Abbildung 6.23 schematisch dargestellt. Wird durch diese Lokalisierung die kritische Dichte an freien Ladungsträgern unterschritten, wird das System isolierend. Dies ist vergleich-bar mit den bereits vielfach untersuchten Anderson-Mott Übergängen in Halbleitern [97]. Da dieser stark temperaturabhängig ist, kann darauf die

Temperaturabhängig-keit dieses MIT zurückgeführt werden. Dieses Modell muss jedoch noch auf unser Materialsystem angepasst werden. Die unterschiedlichen Skalierungen der Tempera-turabhängigkeit könnte damit erklärt werden, dass bei einer kritischen Ladungsträ-gerdichte minimale thermische Aktivierung genügt, um durch hopping Prozesse den Schichtwiderstand des Systems deutlich zu reduzieren.

Die antiferromagnetische Kopplung kann nur durch ein zum QW senkrecht angeleg-tes Magnetfeld aufgehoben werden. Ein parallel zum QW angelegangeleg-tes Feld kann die Spins oder Mn Momente nicht parallel ausrichten. Erst im Bereich des Anticrossing, in dem der Transport im nicht senkrecht orientierten LH-Subbandes stattfindet, kann das System delokalisiert werden. Da dies jedoch keinen Phasenübergang dar-stellt, erfolgt diese Delokalisierung der Löcher nicht sprunghaft.

Dieses Modell ist im Kontext der bekannten Theorien in sich schlüssig und liefert ei-ne phänomenologische Erklärung des MIT. Der Ursprung der Hysterese kann jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Zum einen könnte Superparamagnetismus dafür ver-antwortlich gemacht werden, zum anderen die ferromagnetische Kopplung, die beim Phasenübergang entsteht. An einer theoretischen Beschreibung der gemessenen Ef-fekte wird derzeit von C. Sliwa⁴ gearbeitet. Nach Abschluß dieser Berechnungen sollte eine detailliertere Beschreibung möglich sein.

4Gruppe von Prof. T. Dietl am Institut of Physics, Polish Academy of Science, Warszawa, Poland