Als logischer n¨achster Schritt f¨ur weiter gehende Forschungen bietet sich die Fortf¨uhrung der in Kapitel 7 dargelegten Arbeiten an: Die hohe Curie-Temperatur der getemperten Version der d¨unnsten Probe l¨asst vermuten, dass die Schichtdicke noch weiter reduziert werden kann bevor der ¨Ubergang zu einem rein paramagnetischen Verhalten erreicht ist.
Auch einer weiteren Erh¨ohung der Mangankonzentration scheint bei Schichtdicken um 1 nm nichts im Wege zu stehen.
Somit besteht die Aussicht, basierend auf den Proben mit hoher Mangankonzentration in Kapitel 7, wie schon bei InMnAs [Ohn00] den Ferromagnetismus in GaMnAs komplett elektrisch zu kontrollieren. Auch die elektrische Spininjektion in GaAs bei Raumtempera-tur r¨uckt mit diesen GaMnAs-Schichten in greifbare N¨ahe.
In einer Reihe von Artikeln in Nature Materials wurde 2010 unter dem Motto
” 10Jah-re GaMnAs“ aus gegebenem Anlass Bilanz ¨uber die Anstrengungen und Fortschritte auf dem Gebiet der verd¨unnten magnetischen Halbleiter gezogen. Aber auch ein Ausblick auf die k¨unftige Forschungst¨atigkeit auf diesem Gebiet wurde gegeben: [Ohn10], [Sam10], [Cha10], [Die10]. Der Allgemeinen Einsch¨atzung zufolge ist eine weitere Steigerung der
8.2 Perspektiven f¨ur k¨unftiges GaMnAs-Wachstum
Curie-Temperatur von den aktuellen Rekordwerten von ca. 190 K auf Raumtemperatur durch eine Verbesserung des Wachstumsprozesses nicht zu erwarten, abgesehen nat¨urlich von der Anwendung des Proximity Effekts: Bei d¨unnen Schichten wie den in Kapitel 7 vorgestellten besteht diese Aussicht durchaus. Es herrschte auch Einigkeit, dass GaMnAs aufgrund seiner Eigenschaften wie der hohen Spinpolarisation seiner Ladungstr¨ager oder dem breiten Spektrum seiner Anisotropien weiterhin alstest bench eine große Bedeutung in haben wird.
Exemplarisch kann hierf¨ur das neue Forschungsfeld des Spincalorischen Transports ange-sehen werden. Hier findet GaMnAs als Alternative zu ferromagnetischen Metallen in der Untersuchung des Spin Seebeck Effekt eine wichtige Anwendung [Sin10], [Jaw10].
Auf spekulativer Basis bieten sich durch die in Kapitel 3 vorgestellten Methoden zur Ei-chung der Mangankonzentration weitere Chancen: Technisch ist es nunmehr problemlos m¨oglich GaMnAs-Proben herzustellen, die eine genau festgelegte Mangan-Konzentration zwischen 0,1 % und 1 % aufweisen. Somit kann man versuchen, ¨uber den Proximity Effekt von Eisen auf GaMnAs einzelne Mangan-Atome an das Eisen zu koppeln, ohne dass diese untereinander wechselwirken. Wie in [Koe11] dargestellt, eignen sich einzelne Mangan-St¨orstellen als definierte Zust¨ande f¨ur Anwendungen in Speicher-Technologien oder Lo-gikbausteinen, vielleicht sogar als qbits. ¨Uber den Proximity Effekt erg¨abe sich dann die M¨oglichkeit, quasi von außen auf diese Zust¨ande zuzugreifen um sie zu manipulieren.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung mag noch weit entfernt sein von ihrer Um-setzung in Alltagstechnologie. Aus Sicht der Grundlagenforschung lohnt sich aber wegen der noch zahlreichen unbeantworteten Fragen eine weitere Erforschung des Gebiets. Denn
”der Beginn aller Wissenschaften ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind.“
(Aristoteles)
Anhang A
Messpl¨ atze und Methoden
In diesem Anhang wird genauer auf die Transportmessungen eingegangen: Es werden die verwendeten Aufbauten besprochen sowie Details zur Probenpr¨aparation und Methoden zur Datenbearbeitung er¨ortert.
A.1 Probenpr¨ aparation
F¨ur die Charakterisierung der hergestellten GaMnAs-Schichten wurden Proben in Van-der-Pauw-Geometrie und Hallbars verwendet (Abbildungen A.1 und A.2). Erstere dienten vor allem dazu, an der großen Anzahl der hergestellten Proben eine z¨ugige Standard-Charakterisierung durchzuf¨uhren. Auch die Ermittlung der Curie-Temperatur mittels der Temperaturabh¨angikeit des Probenwiderstandes wurde damit durchgef¨uhrt (Abschnitt 5.6). Mit den wenigen Hallbars fand hingegen die gezielte Untersuchung einzelner Effekte statt.
Abbildung A.1: Eine kontaktierte Van-der-Pauw-Probe auf einer DT-470-Diode.
Abbildung A.2:Eine verwendete Hallbar-Struktur
Van-der-Pauw Proben: Bei der Charakterisierung mit Van-der-Pauw wurden per Hand 3 mm×3 mm kleine Probenst¨ucke entlang den [110]- und [¯110]-Richtungen – den nat¨urlichen Bruchrichtungen – aus dem Wafern gebrochen. Nach dem Kontaktieren der vier Ecken mit einem Golddraht wurden die Waferst¨ucke (f¨ur die ρ(T)-Messungen) mit-tels Vakuumfett auf eine DT −470 - Temperatur-Diode geklebt (Abbildung A.1). Diese Geometrie garantiert, dass zum einen das Probenst¨uck klein genug war, um w¨ahrend des Abk¨uhlens im thermischen Gleichgewicht mit der Temperatur-Diode zu stehen und zum anderen groß genug, um auch alle Bedingungen f¨ur eine Van-der-Pauw-Messung zu erf¨ullen:
Nach diesen m¨ussen die Kontakte klein gegen¨uber den Abmessungen der Probe und an ihrem Rand angebracht sein. Zudem darf die zu vermessende Schicht keine L¨ocher aufwei-sen.
F¨ur das Ankontaktieren wurde – wie f¨ur p-leitende III/V-Halbleiter ¨ublich – ein InZn-Lot mit 4 % Zinkanteil verwendet. Generell stellte das Ankontaktieren der Proben kein Problem dar und ein Ausfrieren eines Kontakts trat nur sehr selten bei d¨unnen und stark kompensierten Schichten, also bei Proben mit sehr hohem Schichtwiderstand auf.
In Kontaktier-Versuchen mit reinen Indium-Kontakten und Leitsilber waren auch keine Unterschiede zu InZn-Kontakten feststellbar. Zudem ist erfreulicherweise ein Einlegieren der Kontakte bei GaMnAs als einem entartet dotierten Halbleiter nicht notwendig. Dieses w¨urde eine GaMnAs-Schicht bei den sonst f¨ur GaAs-basierte Heterostrukturen ¨ublichen Temperaturen von 350◦C bis 450◦C zerst¨oren.
So pr¨apariert konnten bei allen Proben nach der Van-der-Pauw-Methode die spezifischen Widerst¨ande bei 4,2 K und bei Raumtemperatur bestimmt werden, wie sie auch im Pro-benverzeichnis angegeben sind. Dazu werden an den vier am Probenrand liegenden Kon-takten A, B, C und D zun¨achst die nicht-lokalen Widerst¨andeRAB,CD= UIAB
CD gemessen.
Zusammen mit der aus den RHEED-Eichungen bestimmten Schichtdickedgilt nach Van-der-Pauw [vdP58a], [vdP58b]:
Hierbei wird f selbstkonsistent bestimmt durch das L¨osen der Gleichung RAB,CD−RBC,DA
RAB,CD+RBC,DA =fcosh−1(1
2exp(ln 2
f )). (A.2)
Hallbar-Proben: Die in dieser Arbeit verwendeten Hallbars wurden von Marika Hirmer mittels optischer Lithographie hergestellt (Abbildung A.2). Mit den Abmessungen W = 200µm, L= 1200µm und ca. 400 nm ¨Atztiefe waren die Strukturen vergleichsweise groß, sodass die Ergebnisse der Messungen ohne Weiteres alsbulk-Eigenschaften gelten k¨onnen (Abbildung A.2). Alle Hallbars waren stets in [110]-Richtung orientiert. Eine Beschreibung des verwendeten Lithographie-Prozesses ist z.B. in [Hir07] zu finden.
Wie die Van-der-Pauw-Proben, so wurden auch die Hallbarkontakte durch Anl¨oten eines Golddrahtes mit InZn hergestellt. Das hat zur Folge, dass wegen einer leichten L¨angsversetzung der L¨otpunkte auf den Kontaktpads der Hallbars sich wie bei den Van-der-Pauw-Proben die gemessenen L¨angs- und Quer-Spannungen – wenn auch bei Weitem nicht so stark – ver-mischen. Da sich in der Regel Hallsypannungen antisymmetrisch und L¨angswiderst¨ande