6.2.1 Erweiterung des Parameterraums
Durch die M¨oglichkeit, die Bedingungen w¨ahrend des Wachstums exakt festzulegen und zu kontrollieren (Kapitel 3) konnte in der vorliegenden Arbeit der Parameterraums mit metal-lischen und ferromagnetischen Proben im Vergleich zur Ver¨offentlichung von Ohno [Ohn98]
erheblich erweitert werden. Es gelang dabei metallische, ferromagnetische Proben mit ei-nem Mangangehalt von bis zu 22 % herzustellen (Abbildung 6.3):
Bei einem derart hohen Mangangehalt besitzen zwei von drei Manganatomen, unter Ver-nachl¨assigung von Mangan-Interstitials, mindestens ein weiteres Manganatom als Nach-barn. Es scheint deshalb angebracht, von GaMnAs als einer Legierung als von einer starken Mangan-Dotierung zu sprechen.
Wie bereits zu Beginn des Kapitels angesprochen, gelten bei diesen hohen Mangankon-zentrationen f¨ur den Einbau von Defekten und damit auch f¨ur die Wachstumsstrategien die gleichen Prinzipien bzw. ¨Uberlegungen wie bei Proben mit geringem Mangananteil.
Jedoch sind die Parameterfenster die metallische, ferromagnetische Proben garantieren sehr viel kleiner.
Um einen massiven Einbau von Arsen-Antisite-Defekten und das Wachstum von MnAs-Clustern zu verhindern wurde in der vorliegenden Arbeit mit zunehmendem Mangangehalt
6.2 Mangankonzentrationen ¨uber 10 %
sowohl die Substrat-Temperatur als auch der Arsenfluss tendenziell gesenkt: W¨ahrend f¨ur Proben mit etwa 12 % Mangangehalt noch Substrat-Temperaturen im Bereich von 190◦C verwendet wurden (Abbildung 6.3), fand das Wachstum der Proben, die eine Mangankon-zentration ¨uber 20 % besitzen, mit 120◦C an der unteren Grenze des Bereiches statt, in dem noch 2-dimensionales Wachstum m¨oglich ist (Abschnitt 3.5).
Diese Vorgehensweise stellt eine Art Kompromiss zwischen verschiedenen Arbeiten aus der j¨ungeren Literatur dar, in denen ebenfalls GaMnAs mit sehr hohen Mangankonzen-trationen hergestellt wurde:
So wurden etwa in [Che09] oder von Vit Novak [Nov09] mit 8 : 1 bzw. 3 : 1 ein teils deut-lich h¨oheres BEP-Verh¨altnis gew¨ahlt um bei h¨oheren Substrat-Temperaturen wachsen zu k¨onnen. Bei [Mac08] hingegen wurde grunds¨atzlich bei st¨ochiometrischen Bedingungen gearbeitet.
Abbildung 6.3:Erweiterung des Parameterraums im Vergleich zur Ver¨offentlichung von Ohno aus dem Jahr 1998 [Ohn98] gezeigt anhand der scharfen Phasengrenze zur Bildung von MnAs-Clustern.
F¨ur jede Probe ist das V/III-BEP-Verh¨altnis angegeben.
6.2.2 Probenserien bei hohen Mangankonzentrationen
In diesem Abschnitt werden Wachstumsserien besprochen, mit denen nach den angespro-chenen Parameterfenstern gesucht wurde. Mit den Serien soll der Einfluss der verschiede-nen Defekte auf das Material verdeutlicht, sowie der Weg zu den GaMnAs-Proben mit den h¨ochsten Curie-Temperaturen aufgezeigt werden. Eine weiterf¨uhrende Analyse der Proben findet dann in Abschnitt 6.3 statt.
Variation des Arsenflusses: In den Proben der Serie C100401A bis C100401C wur-de ausschließlich wur-der Arsenfluss w¨ahrend des GaMnAs-Wachstums ver¨andert. Das V/III-BEP-Verh¨altnis wurde dabei von (1,7 : 1) ¨uber (1,3 : 1) auf (1,0 : 1) gesenkt, welches nach dem RHEED-Muster zu schließen das Optimum f¨ur den gegebenen Parametersatz darstellt, da sich unmittelbar nach Ende des Wachstums eine beginnende Cluster-Bildung andeutete. Die Substrat-Temperatur blieb konstant auf 160◦C, ebenso blieb die Mangan-Konzentration bei 15,8 %.
Abbildung 6.4:Spezifischer Widerstand der Proben C100401A bis C: a) in ungetempertem Zustand;
b) nach dem Annealing
Wie man Abbildung 6.4a) entnehmen kann, sind die Proben C100401A und C100401B oh-ne Anoh-nealing bei tiefen Temperaturen isolierend, w¨ahrend C100401C bereits metallisches Verhalten zeigt2. Die ¨Anderung in der Leitf¨ahigkeit l¨asst sich wegen der gew¨ahlten Wachs-tumsbedingungen direkt auf eine Variation in den Arsen-Antisite-Defekten zur¨uckf¨uhren.
Betrachtet man die Ableitungen der Widerstandskurven nach der Methode von Novak [Nov08a], so findet man bei B noch ein flaches (lokales) Maximum unterhalb von 40 K. Bei Probe A kann hingegen kein Hinweis auf einen Phasen¨ubergang festgestellt werden.
Das Annealing der Proben A und B bewirkt, ebenso wie die Reduktion der Antisite-Defekte von C100401A (ag) nach C100401C (ag) durch den geringeren Arsenfluss w¨ahrend des Wachstums, einen Metall-Isolator- ¨Ubergang. Der spezifische Widerstand aller getemperten Proben (Abbildung 6.4b) zeigt metallisches Verhalten und einen einander sehr ¨ahnlichen Verlauf. Weil die Proben mit ca. 20 nm vergleichsweise d¨unn sind, kann davon ausgegangen werden, dass die M nI durch das Annealing in jeder der Proben fast vollst¨andig entfernt wurden und sie sich wie die ungetemperten Proben nur in der Konzentration von AsGa unterscheiden. Innerhalb dieser Serie wurde die Curie-Temperatur von 133 K ¨uber 148 K auf 172,5 K gesteigert, was zugleich der h¨ochste mit dem Standard-Annealingverfahren (Abschnitt 3.8) erreichte Wert bei einer Probe ohne MnAs-Cluster war. Ein langsameres Annealing bei 165◦C brachte lediglich eine Steigerung um 1 K.
Variation der Substrat-Temperatur: Eine zweite M¨oglichkeit, um sich bei hohem Mangangehalt an das Optimum in den Wachstumsbedingungen heranzutasten, ist syste-matisch die Temperatur zu erh¨ohen. Diese Situation spiegelt sich in den schwarzen und roten ρ(T)-Kurven von Abbildungen 6.5 wider: Beide Proben besitzen eine Mangankon-zentration von etwa 13,1 % und wurden mit einem BEP-Verh¨atnis von etwa (2,0 : 1) gewachsen. Lediglich die Substrat-Temperatur wurde von 180◦C auf 190◦C erh¨oht.
Die Temperaturabh¨angigkeit des spezifischen Widerstands ¨andert sich v¨ollig analog zur Probenserie mit der Variation des Arsenflusses: Die Erh¨ohung der Substrat-Temperatur
2Im Folgenden werden die Probenbezeichnungen mit A, B, und C abgek¨urzt.
6.2 Mangankonzentrationen ¨uber 10 %
f¨uhrt ebenfalls zu einer drastischen Erh¨ohung der Leitf¨ahigkeit bei tiefen Temperatu-ren. St¨arker als die Reduktion der Arsen-Antisite-Defekte ist wiederum der Effekt des Annealing: Es bewirkt eine ¨Anderung der Leitf¨ahigkeit bei 4,2 K um mindestens vier Gr¨oßenordnungen.
Abbildung 6.5:a) Die Entwicklung des spezifischen Widerstands bei gezielter ¨Anderung der Substrat-Temperatur (schwarz auf rot) und anschließender Reduktion des BEP-Verh¨altnisses (rot auf gr¨un); alle Proben sind ungetempert. b) Werden die Proben getempert, so weisen sie alle ein metallisches Verhalten auf.
Einsetzende MnAs-Cluster-Bildung: Die Grenze zum Wachstum von hexagonalen MnAs-Clustern kann, wie in Kapitel 3 besprochen, durch eine zu starke Reduktion des Arsendrucks oder eine zu große Erh¨ohung der Substrat-Temperatur ¨uberschritten werden.
Ersteres trat beim Wachstum der Probe C100109B auf, deren Widerstandskurven in den Abbildungen 6.5a) und b) in gr¨un dargestellt sind.
Ausgehend von C100109A (rote Kurven) wurde das BEP-Verh¨altnis von (2 : 1) auf (1,1 : 1) gesenkt, w¨ahrend alle anderen Parameter inklusive der Substrattemperatur bei-behalten wurden. Die Cluster-Bildung setzte dabei erst gegen Ende des Wachstums der Probe ein obwohl es gelang, die Substrat-Temperatur w¨ahrend des gesamten Prozesses mit TS = 190 ±1◦C sehr stabil zu halten. Dieses Verhalten ist typisch f¨ur alle Proben, die nahe der Phasengrenze und mit Cluster-Bildung gewachsen wurden. Hierf¨ur kommen zwei Mechanismen als m¨ogliche Erkl¨arung in Betracht:
Zum einen wurde gezeigt, dass Defekte und substitutionelles Mangan bereits im Verlauf des Wachstums einige Nanometer in Wachstumsrichtung diffundieren [Mau11] und somit eine etwaige Schranke der jeweils maximal m¨oglichen Mangankonzentration erst verz¨ogert durchbrochen wird, zum anderen k¨onnte auch die kompressive Verspannung im Kristall ab einer gewissen Schichtdicke durch das Clustern abgebaut werden. Jedoch spricht ge-gen letzteres die gute Kristallqualit¨at von 100 nm dicken Proben mit 20 % Mangangehalt bei [Mac08].
Qualitativ gesehen ist die clusterhaltige Probe C100109B (ag und ann) durch die Wider-standskurven der nicht von Proben C100401C zu unterscheiden, die bei ¨ahnlichen Curie-Temperaturen eine glatte Oberfl¨ache aufweist. Die absoluten Werte sind des spezifischen
Widerstands sind etwas geringer (Abbildungen 6.4) und 6.5.
Auch durch SQUID-Messungen konnte in C100109B kein zus¨atzlicher Magnetismus von MnAs-Clustern nachgewiesen werden (Abbildung 6.6). Die Cluster scheinen somit durch ihre Lage an der Oberfl¨ache oxidiert oder aus einem anderen Grund inaktiv zu sein. Auf jeden Fall kann man davon ausgehen, dass GaMnAs-Schichten durch zus¨atzliche ober-fl¨achliche MnAs-Cluster nicht beeinflusst werden. Wohl aber sind MnAs-Cluster ein Pro-blem bei einer weiteren Strukturierung der Probe.
Abbildung 6.6:a) Magnetisches Moment einer Probe mit oberfl¨achlichen MnAs-Clustern (Probe C100109B, vgl. auch Abbildung 6.5), inset: zugeh¨origem(H)-Kurven b) AFM-Scan der Oberfl¨ache von C100109B, c) GaMnAs mit eingebetteten MnAs-Clustern, welches bis ¨uber300 K ferromagne-tisch bleibt. Aus [Wan06]