Abbildung 3.6:Intensitätsoszillationen des Spiegelreflexes im RHEED-Beugungsbild. Mit Hilfe der Oszillationsperiode können die Wachstumsraten für AlAs und GaAs bestimmt werden. Die Schwebung bei den GaAs-Oszillationen entsteht bei besonderer Geometrie zwischen Zelle und Einfallswinkel des RHEED-Strahles aufgrund lokaler leicht unterschied-licher Wachstumsraten im abgetasteten Bereich.
3.2 Probenpräparation
Für die Magnetotransportexperimente müssen die gewachsenen Halbleiterheterostruk-turen geeignet strukturiert werden. Dabei reicht für eine erste Charakterisierung die van-der-Pauw Geometrie aus. Für weiterführende Messungen sind jedoch ein definierter Strompfad sowie definierte Spannungsabgriffe entlang bestimmter Kris-tallrichtungen notwendig. Um an den indiumhaltigen zweidimensionalen Ladungs-trägersysteme feldeffektabhängige Messungen durchführen zu können, wurde eine Methode entwickelt, um auf die bestehenden Strukturen zusätzlich eine Isolations-schicht und eine Gateelektrode aufzubringen. Die Herstellung ohmscher Kontakte ist für die unterschiedlichen Probenmaterialien verschieden, jedoch unabhängig von der verwendeten Geometrie.
Ohmsche Kontakte
Um die Halbleiterstrukturen elektrisch charakterisieren zu können, werden Metall-Halbleiterkontakte benötigt, die ohmsches Verhalten aufweisen. Ein solcher Kon-takt kann sich ausbilden, wenn die Austrittsarbeit des Metalls kleiner ist als die Austrittsarbeit eines z.B. n-dotierten Halbleiters φm < φhl und sich das Leitungs-band oberhalb der Fermikante befindet und nach oben gebogen wird. Für einen p-dotierten Halbleiter und Valenzband erfolgt dies analog [23]. Dies ist aber nicht immer möglich. In diesem Fall kann durch eine starke Oberflächendotierung, welche z.B. durch das Einlegieren von geeigneten Metallen entsteht, eine schmale Tunnel-barriere erzeugt werden, welche von den Elektronen durchtunnelt werden kann und einen Schottky-Kontakt mit linearer Kennlinie entsteht. Es wurden für die in dieser Arbeit untersuchten Proben drei unterschiedliche Arten von Kontakten benötigt.
• GaMnAs Schichten
Da in den untersuchten GaMnAs Schichten die Löcherdichte größer als 5·1019cm−3 ist, müssen die Metallkontakte nicht zusätzlich einlegiert werden.
Als Kontaktmaterial wird eine Indium-Zink Mischung (4-6% Zn) verwendet.
• p-dotierte Halbleiterheterostrukturen
Alle mit Kohlenstoff dotierten Heterostrukturen und alle mit Mangan modu-lationsdotierten In-haltigen Strukturen werden analog mit einer Indium-Zink Mischung (6N Indium mit 4-6%Zn) kontaktiert und anschließend in Formier-gasatmosphäre 60s bei 350◦C einlegiert.
• n-dotierte Halbleiterheterostrukturen
Alle mit Silizium n-dotierten Schichten werden mit Indium kontaktiert und anschließend in Formiergasatmosphäre 300s bei 460◦C einlegiert. Bei den Kontakten ist die Reinheit der Lötspitze von besonderer Bedeutung. Bei n-dotierten GaAs Schichten mit einer Elektronendichte größer1018 cm−3 ist ein zusätzliches Einlegieren nicht zwingend notwendig.
Alle Kontaktmaterialien wurden auf die Halbleiterschicht direkt aufgelötet. Bei den meisten Strukturen wurden die Proben an den entsprechenden Stellen zuvor mit einer Nadel angeritzt.
van der Pauw Methode
Bei Strukturierung in van-der Pauw Geometrie werden 4 bis 8 Kontakte am Rand eines quadratischen Probenstücks mit einer Kantenlänge von ca. 4mm angebracht.
Für die Bestimmung der Curie-Temperatur, des Schichtwiderstandes, der Ladungs-trägerdichte (nur nicht-magnetische Proben) und für erste Transportmessungen ist
3.2. Probenpräparation 43
diese Methode aufgrund ihres geringen Strukturierungsaufwandes bevorzugt ver-wendet worden. Eine Beschreibung der Methode zur Bestimmung des Schichtwider-standes in dieser Geometrie erfolgt im Anhang. Mit dieser Methode können auch überwachsene Spaltkanten strukturiert werden, wobei dann auf das Anritzen ver-zichtet wurde.
Hallbarstrukturen
Die Hallbars sind durch Fotolithografie und nasschemisches Ätzen hergestellt wor-den. Dazu wird auf die gereinigte Probe lichtempfindlicher Lack aufgeschleudert und durch eine Fotomaske mit UV Licht belichtet. Bei diesem Positivprozeß können in einem Entwicklerbad die belichteten Lackbereiche entfernt werden, so dass z.B. eine Hallbar stehen bleibt. Der stehen gebliebene Lack schützt die entsprechenden Halb-leiterbereiche vor der Ätzlösung. Alle Strukturen konnten mit einer Mischung aus Essigsäure, Wasser und Wasserstoffperoxid geätzt werden. Die detaillierten Rezep-te sind im Anhang zusammengesRezep-tellt. Die Höhe der geätzRezep-ten Stufen können nach Entfernen des restlichen Lacks mit Aceton mittels Profilometrie bestimmt werden.
Da Strukturen mit hinreichend großen Kontaktpads verwendet wurden, konnten an-schließend die Kontakte wie oben beschrieben angelötet werden. Es wurden sowohl
Abbildung 3.7: Mit L-förmiger Hallbar strukturierte und ankontaktierte Proben. Diese Probe wurde zusätzlich mit einer Isolatorschicht und einer Metallelektrode als Topgate versehen (heller Bereich); am oberen Bildrand sind die gelöteten In-Kontakte zu sehen.
normale, also auch L-förmige Hallbarstrukturen wie in Abbildung 3.7 dargestellt in zwei unterschiedlichen Größen verwendet. Länge und Breite der Hallbar-Strukturen betragen 1000µmx 200µm, bzw.200µmx 40µm.
Metallische Gateelektrode
Einige der In-haltigen zweidimensionalen Ladungsträgersystemen wurden mit einem metallischen Gate auf der Probenoberfläche (Topgate) versehen. Wegen der fehlen-den, bzw. geringen Schottkybarriere von InAs, bzw. von InGaAs/InAlAs und Metal-len, musste zwischen Metall und Halbleiter ein Dielektrikum aufgebracht werden. Als Isolatorschicht wurde ein Parylenefilm verwendet und als Gate-Material eine dünne Titan/Goldschicht. Dazu wurde auf die mit einer Hallbar strukturierten, bereits mit gelöteten, einlegierten Kontakten versehenen und gereinigten Proben mittels eines chemischen Gasphasenprozesses ein ca. 130nm dicker Parylenefilm abgeschieden. Als Ausgangsmaterial der Polymerschicht wird das als Dimer vorliegende Parylene Cc verwendet, bei dem jede Monomereinheit mit Cl monosubstituiert ist. Die Schicht-dicke wurde mit Hilfe eines Weißlichtinterferrometers bestimmt.
Für die Metallisierung des eigentlichen Gates wurde nach einem weiteren optischen Lithografieschritt in einer UHV Aufdampfanlage (Univex) eine ca. 10nm dicke Ti-tan Schicht und eine ca. 120nm dicke Goldschicht aufgedampft. Beim anschließenden Lift-off Prozess im Acetonbad werden die Metallschichten auf den mit Fotolack ab-gedeckten Bereichen der Probe entfernt (s. Abbildung 3.7). Auf die Gateelektrode wurde dann ein dünner Golddraht mit Zweikomponenten-Leitsilber angeklebt.
Zur Fertigstellung der Proben werden an die Kontakte dünne Golddrähte
angelö-Abbildung 3.8: Überblick über die meisten der verwendeten Probenarten, Strukturie-rungsmethoden und Probensockel.
tet. Nach Befestigung der Probe je nach verwendeten Messstäben in einen 8-poligen