HXPES-Messungen am Valenzband

außern sollte. Eine solche Verspannung wurde aber in [Kop11] nicht gemessen.

6.4.4 HXPES-Messungen am Valenzband

Nachdem wie bisher in Kapitel 6 geschildert große Fortschritte bei der Erschließung des Parameterraums von GaMnAs gemacht wurden, stellte sich umso dr¨angender die

Fra-3Bei der k¨unftigen Modellierung ungetemperter GaMnAs-Proben sollte auch die große Steigerung der S¨attigungsmagnetisierung von C100401A (ag) durch das Annealing bedacht werden. Sie kann durch durch eine Steigerung derM nI-Konzentration gegen¨uber C100401C (ag) nicht erkl¨art werden, da diese bei beiden Proben in etwa gleich sein muss, was die S¨attigungsmagnetisierung der entsprechenden getemperten Proben belegt.

6.4 Beobachtungen am Rande

ge nach dem genauen Verlauf der DOS an der Valenzbandkante, also ob Valenz- und St¨orstellenband miteinander verschmolzen sind oder nicht. Um diese Frage zu beantworten und um den genauen Einfluss des Mangans auf die DOS von GaMnAs zu kl¨aren, wurden einige im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Proben von G. Panaccione am SPring8-Synchrotron in Harima, Japan mit HXPES untersucht.

Bei HXPES (hard X-ray photo emission spectroscopy) wird Synchrotron-Strahlung im Bereich von 4 kV bis 10 kV verwendet, um Elektronen aus dem Kristall herauszuschlagen und spektroskopisch zu untersuchen. Der gr¨oßte Vorteil von HXPES besteht dabei in seiner Sensitivit¨at f¨urbulk-Eigenschaften was bedeutet, dass die Informationstiefe betr¨agt bei den vorgestellten Experimenten mehr als 10 nm betr¨agt. Erg¨anzend kann auch hier mit weicher Synchrotronstrahlung gemessen und somit der Einfluss zu den Oberfl¨achen-nahen Zust¨ande bestimmt werden (Abschnitt 7.4).

Die genaue Funktionsweise von HXPES und die m¨oglichen Anwendungsbereiche werden ausf¨uhrlich in [Kob09] beschrieben.

Abbildung 6.14:a) HXPES-Messungen Valenzbands von C100115C (ag), C100109B (ag) sowie eines GaAs-Substrats. b) Ausschnitt aus a) an der VB-Kante: Die Differenz der GaMnAs-Signale zum Substrat ergibt den Mangan-Beitrag. c) DFT-Berechnungen der DOS aus [Tur08]

In Abbildung 6.14a) sind die HXPES-Messungen an den Proben C100115C (ag), C100109B (ag) sowie einem GaAs-Substrat dargestellt. Sie zeigen den Verlauf der Zustandsdichte uber das gesamte Valenzband hinweg. Die Mangankonzentration der GaMnAs-Schichten¨ betrug 1 % bzw. 13 %. W¨ahrend C100115C (ag) paramagnetisch war, wies C100109B (ag) eine Curie-Temperatur von 80 K auf.

Durch Bildung der Differenz der HXPES-Signale zwischen Substrat und den GaMnAs-Proben kann die Mangansignatur in der jeweiligen GaMnAs-DOS ermittelt werden. Der Verlauf unmittelbar an der Valenzband-Kante wird in Abbildung 6.14b) gezeigt. Leider ist die Aufl¨osung des Verfahrens von maximal 100 meV noch zu gering, als dass sich die Frage, ob das St¨orstellenband vom Valenzband abgespalten oder mit ihm verschmolzen ist, endg¨ultig beantworten ließe. Trotzdem kann man aus den Messungen zwei Erkenntnisse gewinnen:

Zum einen unterscheiden sich C100115C (ag) und C100109B (ag) nur graduell und nicht qualitativ in den Abweichungen vom Substrat. Somit scheint auch der Unterschied in den Zust¨anden zwischen paramagnetischer und ferromagnetischer Phase gering bez¨uglich der 100 meV großen Messungenauigkeit sein. Dies ist deshalb von Bedeutung weil Ohya, der sich inseinen Untersuchungen f¨ur ein abgespaltenes St¨orstellenband ausspricht [Ohy11], eine minimale L¨ucke von 30 meV angibt, und der m¨ogliche Gr¨oße der L¨ucke somit

experi-mentell bereits stark eingeschr¨ankt ist.

Zum anderen ist die gemessene ¨Anderung der DOS durch das Mangan direkt an der Bandkante sehr gering, wenn man ihren Verlauf mit theoretischen Berechnungen aus der Literatur vergleicht (Abbildung 6.14c). Dies k¨onnte wie in [Mas10] angedeutet darauf hin-weisen, dass Korrelationen in den Zust¨anden f¨ur den Ferromagnetismus eine gr¨oßere Rolle spielen als bisher angenommen.

Kapitel 7

D¨ unne Schichten

In diesem Kapitel werden GaMnAs-Schichten besprochen, die eine Schichtdicke von weni-ger als 10 nm aufweisen: Der Fokus liegt dabei auf zwei Probenserien mit 7 % bzw. 17 % Mangangehalt, in denen schrittweise die Schichtdicke reduziert wurde. Ihre Eigenschaften werden u.a. anhand von gating-Experimenten aus der Literatur besprochen. Denn diese stellen zugleich zusammen mit dem Proximity-Effekt von Eisen auf GaMnAs (Anhang C) das Hauptanwendungsgebiet f¨ur d¨unne GaMnAs-Schichten dar.

Abschließend wird das Isolationsverhalten extrem d¨unner GaMnAs-Schichten unter Zu-hilfenahme von Oberfl¨achen- und bulk-sensitiver Messungen mit Synchrotron-Strahlung analysiert.

7.1 Mangankonzentration 7 %

In Abbildung 7.1 sind die spezifischen Widerst¨ande einer Reihe von Proben mit abneh-mender Schichtdicke dargestellt. Ihr Mangangehalt liegt mit etwa 7 % noch unterhalb des S¨attigungsbereichs (Abbildung 6.9). Sie sind deshalb in etwa vergleichbar mit Proben, die in [Gar10] beschrieben wurden. Anders als dort wurden aber keine LT-AlGaAs-Puffer verwendet, sondern LT-GaAs bzw HT-GaAs im Falle der 19,2 nm dicken GaMnAs-Schicht.

Abbildung 7.1:Der spezifische Widerstand d¨unner Proben im ungetempterten Zustand (a) und nach dem Standard-Annealing (b).

Die Schichten mit einer Dicke von 10 nm und dar¨uber weisen noch bulk-Eigenschaften auf: Vor allem nach dem Annealing ¨andern sich weder Curie-Temperatur noch spezifischer Widerstand signifikant. Die Proben mit 3 nm und 5 nm GaMnAs zeigen hingegen im as grown Zustand einen starken Anstieg des spezifischen Widerstandes f¨urT →0 K. Gleiches gilt auch noch bei der getemperten Version von C091021B (3 nm), w¨ahrend C091021A (ann) zeigt bei 5 nm Schichtdicke nur einen moderaten Anstieg in ρ(T) aufweist, so dass diese Schicht einen ¨Ubergang zumbulk-Verhalten darstellt.

Der graduelle Anstieg des spezifischen Widerstands bei tiefen Temperaturen wird in einem einfachen Bild dadurch erkl¨art, dass ein zunehmender Anteil der der freien Ladungtr¨ager dazu dient, die unges¨attingten Bindungen des Kristalls abzuschirmen. Es ist deshalb der direkte Einfluss der Oberfl¨ache und nicht der der der Punktdefekte, welcher die GaMnAs-Schicht verarmt. Insgesamt sinkt also die Ladungstr¨agerdichte, was wiederumT_C reduziert.

Weil die verbleibenden Ladungstr¨ager durchschnittlich st¨arker an ihre Mangan-St¨orstellen gebunden sind, und EF die Mobilit¨atsgrenze ¨uberschreitet, steigt der spezifische Wider-stand f¨ur T → 0 K entsprechend deutlich an, da nach der Fermiverteilung mit sinkender Temperatur immer weniger Ladungstr¨ager delokalisiert sind.

In dem experimentell zug¨anglichen Temperaturbereich von T > 4,2 K zeichnet sich kein eindeutiges polynomisches oder exponentielles Verhalten ab. Somit k¨onnen keine R¨ uck-schl¨usse auf die exakten Transportmechanismen in diesem Temperaturbereich gezogen werden, wie dies in [Neu08a], [Neu07] oder [Gar10] durchgef¨uhrt wurde.

Ahnlich den stark durch Defekte kompensierten Proben aus Abschnitt 6.3 sind die d¨¨ unnsten untersuchten GaMnAs-Schichten trotz ihres hohen Widerstands bei 4,2 K ferromagnetisch, was die SQUID- bzw. MOKE-Messungen in Abbildung 7.2 belegen. Somit ist bei diesen Schichten – anders als in [Gar10] dargestellt – keine LT-AlGaAs-Barriere notwendig, um den Ferromagnetismus aufrecht zu erhalten.

Nach den SQUID- und MOKE-Messungen in Abbildung 7.2 betragen die Curie-Tempera-turen der 3 und 5 nm-Schichten 38 K und 47 K im ungetemperten Fall bzw. 71 K und 110 K nach dem Annealing. Beides liegt jeweils signifikant unter den Werten der 19,2 nm-Probe mit 71 K (as grown) und 138 K (annealed).

Abbildung 7.2:SQUID- und MOKE-Messungen des magnetischen Moments der Proben aus Abbil-dung 7.1: a) ungetemperte Proben b) getemperte Proben.Insets:Vergleich der aus SQUID/MOKE ermittelten Curie-Temperaturen mit der Novak-Methode.