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MBE-Wachstum von ZnMnSe zur Spininjektion in GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen

URN to cite this document: urn:nbn:de:bvb:355-opus-10903

Leeb, Tobias (2009) MBE-Wachstum von ZnMnSe zur Spininjektion in GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen. Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg 2, PhD, Universität Regensburg

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Abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und die Herstellung von Halbleiterheterostrukturen, um mit elektrischen Transportexperimenten den Nachweis der elektrischen Injektion spinpolarisierter Elektronen in ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) zu erbringen.

Hochbewegliche GaAs/AlGaAs-2DEG-Heterostrukturen wurden mit Kontakten aus dem verdünnten magnetischen Halbleiter ZnMnSe versehen, der sich bei tiefen Temperaturen und kleinem externen Magnetfeld durch eine nahezu vollständige Polarisation der Elektronenspins auszeichnet.

Ein in dieser Arbeit vorgestelltes Konzept erbringt den Nachweis der Spininjektion auf der Grundlage der den niederdimensionalen Systemen eigenen Quanteneffekte. Die theoretischen Betrachtungen im ganzzahligen Quanten-Hall-Regime vollständiger Randkanalleitung beziehen die durch die Zeeman-Aufspaltung des Leitungsbandes hervorgerufene Spinpolarisation der Kontakte und die durch Spin-Bahn-Effekte verursachte Equilibrierung zwischen spinaufgespaltenen Randkanälen mit ein.

Mittels Molekularstrahlepitaxie gelang die Zucht strukturell hochwertiger, n-leitender ZnMnSe-Schichten auf unterschiedlichen GaAs-Oberflächen. Die strukturelle Qualität und der stöchiometrische Mn-Gehalt ließen sich durch Röntgendiffraktometrie ermitteln. Magnetfeldabhängige Photolumineszenzmessungen verifizierten die für die Spininjektion so bedeutende riesige Zeeman-Aufspaltung im Leitungsband der ZnMnSe-Proben und dienten zur Bestimmung des effektiven g-Faktors sowie des effektiven und strukturellen Mn-Gehalts. Der Magnetowiderstand bei tiefen Temperaturen zeigte dabei den auch für andere verdünnte magnetische Halbleiter typischen Verlauf.

Die GaAs/AlGaAs-2DEG-Heterostruktur wurde unterstützt durch Bandstruktursimulationen hinsichtlich der Reduktion interner Potentialbarrieren weiter entwickelt, optimierte Wachstumsbedingungen resultierten in einem deutlichen Anstieg der Elektronenbeweglichkeit. Besondere Aufmerksamkeit erfuhr die Grenzflächenpräparation am heteropolaren ZnMnSe-Ga(Al)As-Übergang, die einen maßgeblichen Einfluss auf die energetische Leitungsbandanpassung zwischen dem II-VI und dem III-V-Halbleiter ausübt.

Erstmals konnte im Rahmen dieser Arbeit an einer mit semimagnetischen ZnMnSe-Kontakten versehenen GaAs/AlGaAs-Heterostruktur Quantentransport gemessen werden.

Translation of the abstract (English)

In this thesis the reader is lead into the development and fabrication of semiconductor heterostructures to detect the injection of a spinpolarized current into a two dimensional electron gas (2DEG) solely by electrical transport measurements.

For this purpose GaAs/AlGaAs-2DEG-heterostructures featuring a very high electron mobility have been combined with semimagnetic ZnMnSe contacts characterized by almost complete polarization of electron spins at low temperatures and small external magnetic fields.

A new theoretical concept will be introduced, that finds evidence of spin injection based on the quantum effects inherent to low dimensional systems. Modeling an integer quantum hall regime with complete edge channel conductivity the spin polarization of the contacts, caused by the Zeeman splitting of the conduction band is considered as well as the equilibration between spin split edge channels due to spin orbit effects.

N-doped ZnMnSe layers of high structural quality have been fabricated on different GaAs surfaces by molecular beam epitaxy. The Mn content of the crystal and it�s structural quality have been determined by x-ray diffraction. Magnetic field dependent photoluminescence measurements verified the giant Zeeman splitting of the ZnMnSe conduction band and provided the effective g-factors as well as the effective and the structural Mn content. At low temperatures the magnetoresistance shows the typical behavior of other semimagnetic semiconductors.

Supported by band structure calculations the GaAs/AlGaAs-2DEG-heterostructure has been further developed to reduce internal potential barriers. Optimized growth conditions lead to a substantial increase of the electron mobility. An exceptional attentions was given to the preparation of the heteropolar ZnMnSe-Ga(Al)As interface that has a significant influence on the conduction band mismatch between the II-VI and the III-V semiconductor.

This thesis reports for the first time on quantum transport measurements on a GaAs/AlGaAs-heterostructure with semimagnetic ZnMnSe contacts.

Item Type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Referee:	Prof. Dr. Werner Wegscheider
Date of exam:	19 December 2007
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Retired Professors > Group Werner Wegscheider
Keywords:	Magnetoelektronik , Verbindungshalbleiter , Galliumarsenid , Zinkselenid , Zwei-Sechs-Halbleiter , Drei-Fünf-Halbleiter , Halbleitergrenzfläche , Butylchlorid , Spinelektronik , Spinaligner , Spininjektion , Spinequilibrierung , zweidimensionales Elektronengas , Zinkmanganselenid , ZnMnSe , 2DEG , butylchloride , spinelectronic , spinaligner , spininjection , spinequilibration , 2DEG , ZnMnSe , DMS , semimagnetic semiconductors
Subjects:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Owner:	Universitätsbibliothek Regensburg
Deposited On:	14 Jan 2010 16:26
Last Modified:	21 Jul 2011 00:15
Item ID:	12140

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