Herstellung und Charakterisierung von Mangan dotierten III-V Halbleiterheterostrukturen

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-9851
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.10746

Wurstbauer, Ursula

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 09 Jun 2008 16:25

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Gegenstand dieser Arbeit ist das Wachstums von Mangan dotierten III-V Halbleiterheterostrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie. Die Charakterisierung erfolgte im Wesentlichen mit Magnetotransportmessungen bei Temperaturen von 300K bis 20mK und Magnetfeldern bis 19T. Es wurden zum einen ferromagnetische GaMnAs Schichten und zum anderen mit Mn magnetisch modulationsdotierte zweidimensionale Ladungsträgersysteme untersucht.
Bei der Herstellung der ferromagnetischen GaMnAs Schichten stand die Verbesserung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften im Mittelpunkt. Hauptziel war es, das Wachstum für die Integration der GaMnAs Schichten in weiterführende Heterostrukturen zu optimieren. Die Verbesserung der Kristallqualität und der Einfluss der Pufferschichten, waren von zentralem Interesse. Es konnten GaMnAs Schichten auf (001), (311)A und (311)B orientierten GaAs Substraten mit derzeit aktuellen Curietemperaturen hergestellt werden. Zusätzlich wurde das Wachstum ferromagnetischer GaMnAs Schichten auf nichtpolaren (110) GaAs Substraten etabliert und anschließend auf das Überwachsen von [110] Spaltkanten übertragen. Als erste Anwendung wurden mit diesem Verfahren magnetische bipolare p-n Übergänge hergestellt.
Für die Realisierung magnetischer zweidimensionaler Lochsysteme wurden In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As/InAs Quantenwellstrukturen verwendet. Da für diese Strukturen keine geeigneten Substrate zur Verfügung stehen, müssen auf herkömmliche (001) GaAs Substrate zunächst Pufferschichten zur Verspannungsrelaxierung hergestellt werden, bei denen der In-Gehalt graduell erhöht wird. Zur Kontrolle dieser Schichten wurden zunächst Si-dotierte zweidimensionale Elektronensysteme auf diesen Pufferschichten hergestellt. Es wurde sowohl an den 2DEGs, als auch an den M2DHGs Magnetotransportexperimente durchgeführt. Die Transportmessungen bei tiefen Temperaturen, insbesondere im mK-Bereich lieferten bei den magnetischen zweidimensionalen Lochsystemen einige überraschende Ergebnisse. Während bei allen Si dotierten Elektronen- und den mit Mn nicht invertiert dotierten Lochsysteme um B=0T schwache Lokalisierungseffekte auftreten, zeigen alle invertiert und beidseitig mit Mn dotierten Strukturen bei senkrecht zur Schichtebene angelegtem Magnetfeld einen enormen Widerstandsanstieg um B=0T. Bei höheren Magnetfeldern sind jedoch die für 2D Systeme typischen Shubnikov-de-Haas Oszillationen im Längswiderstand und Hallplateaus im Querwiderstand detektierbar.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

Subject of this thesis is the growth of III-V heterostructures doped with manganese by means of molecular beam epitaxy (MBE). The characterization was done primarily by magnetotransport measurements in the temperature range from 300K to 20mK and fields up to 19T. Two different kind of Mn doped materials, ferromagnetic GaMnAs layers and Mn modulation doped magnetic two dimensional hole systems were studied.
The first part focuses on the enhancement of the electric and magnetic properties of ferromagnetic properties and the integration of GaMnAs layers in more sophisticated heterostructures. Therefore, the crystal quality and the influence of the buffer layer beneath the magnetic layer are crucial. The MBE-growth of ferromagnetic GaMnAs layers on (001), (311)A and (311)A was successfully achieved with present values of the Curie-temperature (TC). Additionally, the growth of ferromagnetic GaMnAs layers on nopolar (110) substrates and on cleaved [110] edges was established. An application of the latter was the investigation of magnetic bipolar junctions.
Magnetic two dimensional hole gases (M2DHG) has been realized by the use of In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As/InAs quantum well (QW) structures. It is necessary to grow a buffer layer for strain relaxation due to the lattice mismatch by gradually increasing the In mole fraction. Magnetotransport measurements were carried out on Si doped two-dimensional electron gases (2DEG) and on Mn doped M2DHGs. From magnetotransport measurements on the M2DHGs we see some interesting features, in particular in the mK region. From the 2DEGs and all non inverted doped M2DEGs weak localization and weak antilocalization effects can be obverved in the low field region. Whereas all M2DHGs with an inverted doping layer show strong localization effects and a metal insulator transition dependent on the applied magnetic field perpendicular to the QW. In the high field region Shubnikov-de-Haas oscillations in the longitudinal resistance and Hallplateaus in the hall resistance can be marked.

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