5.7 Zusammenfassung
In diesem Kapitel sind die Vorarbeiten für die im nächsten Kapitel untersuchten Mn dotierten QW Strukturen zusammengefasst. Es konnte gezeigt werden, dass die Kristallqualität und Oberflächenmorphologie für Si und Mn dotierte Strukturen ver-gleichbar gut sind. Um den Einfluss der Verspannung testen zu können, wurde der Puffer nach der Overshoot-Methode für die verwendete MBE Anlage etabliert, sowie die Auswirkungen des Abstands zwischen Puffer und QW und Wachstumstempera-tur der QW StrukWachstumstempera-tur auf die Elektronendichte, Beweglichkeit und Oberflächenmor-phologie untersucht. Im Vergleich zu Puffer 1 ist die 2D Ladungsträgerkonzentration bei gleicher Dotierkonzentration bei Puffer 2 deutlich höher. Die Beweglichkeit bei 4.2K konnte durch Puffer 2 von ca. 78 000 cmV s2 auf ca. 100 000 cmV s2 erhöht werden.
Eine weitere Optimierung der Beweglichkeit und damit verbundene Anpassung der Ladungtsrägerdichte wurde in dieser Arbeit nicht angestrebt, da die strukturellen Aspekte in Hinblick auf die Mn dotierten Strukturen im Vordergrund standen.
Die an einem 2DEG durchgeführten Transportmessungen bei mK Temperaturen erfolgten zum Einführen der Messmethoden und für einen späteren Vergleich mit den 2DHGs. Insbesondere interessant wird hier ein Vergleich der schwachen Loka-lierungsmessungen zwischen Elektronen- und Lochsystemen sein.
Mn modulationsdotierte InAs QW Strukturen
In diesem Kapitel werden die Resultate aus verschiedenen Magnetotransportexpe-rimenten an unterschiedlichen Mn modulationsdotierten InAs QW Strukturen vor-gestellt. Zunächst erfolgt ein Überblick über die unterschiedlichen QW Strukturen.
Anschließend werden die Abhängigkeiten des bei mK Temperaturen auftretenden Metall-Isolator Übergangs (MIT1) aufgezeigt und Erklärungsansätze skizziert. Die im QHE-Bereich sowohl im Hall- als auch im Längswiderstand auftretenden Beson-derheiten werden abschließend vorgestellt und diskutiert.
6.1 Überblick über unterschiedliche Quantum Well Strukturen
Bevor die einzelnen hergestellten QW Strukturen näher vorgestellt werden, erfolgen einige Anmerkungen zu den verwendeten Messmethoden und Bezeichnungen. Die Transportmessungen wurden, sofern nicht explizit erwähnt an L-förmigen Hallbar-strukturen durchgeführt, die entlang derh110iRichtungen orientiert waren. Da zwi-schen den beiden verwendeten Strukturen (200µm x 1000µm, bzw.40µm x 200µm) keine Unterschiede festgestellt werden konnten, wird zwischen diesen nicht weiter un-terschieden. Außer bei den Messungen zum MIT wurde Lock-In Technik mit einer Oszillationsfrequenz von 17Hz, einer Amplitude von 1V und einem Vorwiderstand von 1MΩ, bzw. 10MΩ, was einem Strom durch die Probe von 1µA bzw. 100nA ent-spricht, verwendet. Der Temperaturbereich T>1K wird als Hochtemperaturbereich bezeichnet und 20mK ≤ T ≤ 1K als Tieftemperaturbereich. Analog werden Ma-gnetfelder B>2T als Hochfeldbereich und B ≤2T als Niederfeldbereich klassifiziert.
1metal insulator transition
98
6.1. Überblick über unterschiedliche Quantum Well Strukturen 99 Struktur Dot spacer InGaAs InAs InGaAs spacer Dot 2DHG
(nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm) (nm)
Tabelle 6.1: Überblick über alle hergestellten mit Mn modulationsdotierten QW Struk-turen. Die letzte Spalte gibt an, ob sich bei geeigneter Dotierung bei 4.2K ein 2DHG ausbildet.
Wenn die Orientierung des bei den Transportmessungen angelegten Magnetfeldes nicht explizit angegeben ist, ist dieses senkrecht zum QW angelegt. In Tabelle 6.1 werden die unterschiedlichen QW Strukturen, insbesondere die genauen Schichtfol-gen vorgestellt und deren BezeichnunSchichtfol-gen angegeben.
Als erstes fällt auf, dass sich bei der QW Struktur ssd-inv(E) ohne eingebette-ten InAs QW kein zweidimensionales Ladungsträgersystem ausbildet, ebenso wie bei den Strukturen, bei denen der Abstand zwischen Dotierschicht und InAs-Kanal zu groß wird. Diese Strukturen wurden bereits weit oberhalb von T=100K isolie-rend. Um die Dotierkonzentration der Dotierschicht bestimmen zu können, wurde eine 50nm dicke (In,Al,Mn)As Schicht ohne QW gewachsen. Diese Schicht wur-de jedoch ebenfalls oberhalb von T = 100K isolierend, so dass die Dotierkonzen-tration in der (In,Al,Mn)As Schicht nicht angegeben werden kann. Aus der Mn-Flussratenbestimmung bei der GaMnAs RHEED-Eichung kann eine Obergrenze der Dotierkonzentration mit weniger als 1% abgeschätzt werden. Aus diesem Grund wird im Folgenden bei jeder Struktur die Temperatur der Mn-Zelle, bei der die (In,Al,Mn)As Schicht gewachsen wurde zum Vergleich angegeben. Die Angabe alt bezieht sich dabei auf die ersten hergestellten Strukturen, die bei ausgehendem Mn-Quellenmaterial hergestellt worden sind. Magnetisierungsmessungen mittels SQUID an ausgewählten Proben haben bei T=5K paramagnetisches Verhalten gezeigt. Bei tieferen Temperaturen konnten bisher keine Magnetisierungsmessungen durchge-führt werden
In Abbildung 6.1 sind oben Magentotransportmessungen bei 1.7K exemplarisch an den Strukturen ssd (833) und unten an ssd-inv(A) (alt) (unten) gegenübergestellt.
Es zeigt sich, dass die Mn-dotierten QWs bezüglich ihres Verhaltens in zwei
Kate-Abbildung 6.1:Magnetotransportuntersuchung bei 1.6K, bzw. 1.7K an einer ssd Struktur (oben) und einer ssd-inv(A) Struktur (unten). Im Verhalten um B=0T unterscheiden sich die beiden Strukturen wesentlich. Im Längswiderstand zeigt die ssd Struktur schwache (Anti-)Lokalisierungseffekte, die ssd-inv(A) starke Lokalisierung.
6.1. Überblick über unterschiedliche Quantum Well Strukturen 101
gorien eingeteilt werden können. Bei der ersten Kategorie wird zuerst der InAs QW gewachsen und anschließend die Dotierschicht, was der ssd Struktur entspricht. Die zweite Kategorie sind alle Strukturen, bei denen eine Dotierschicht vor dem QW gewachsen wird, also alle invertiert dotierten (ssd-inv) und alle beidseitig dotierten (dsd) Strukturen. Gemeinsamkeiten beider Kategorien sind der positive Hallkoeffi-zient und die Ausbildung von Hallplateaus und SdH Oszillationen, die nachweisen, dass sich ein zweidimensionales Lochsystem gebildet hat. Außerdem können Aniso-tropien der Beweglichkeit und des Magnetowiderstandes der h110i Richtungen, die bereits von den Si-dotierten 2DEGs bekannt sind, bei beiden Kategorien beobachtet werden.
Der Hauptunterschied liegt im Verhalten um B=0T. Bei der ssd Struktur treten schwache Lokalisierung- (WL) und schwache Antilokalierungseffekte (WAL) auf.
Bei allen anderen Proben ist das System um B=0T lokalisiert. In den folgenden Abschnitten werden die Besonderheiten der einzelnen Strukturen detailliert vorge-stellt.