In dieser Arbeit wird die Rashba Spin-Bahn Wechselwirkung in zweidimensionalen Elektronengasen (2DEG) von III-V Schmalbandhalbleitern untersucht. Hauptursache der Spin-Bahn Wechselwirkung ist in diesen Halbleitern Strukturinversionsasymmetrie, deren Stärke durch den Rashba Parameter alpha beschrieben wird. Die Potentialgradienten senkrecht zum 2DEG und die Grenzflächen tragen zu alpha bei. In dieser Arbeit werden drei Messmethoden verwendet, um alpha zu bestimmen: Shubnikov-de Haas (SdH) Oszillationen in starken äußeren Magnetfeldern und Schwache Antilokalisierung (WAL) sowie Al'tshuler-Aronov-Spivak (AAS) Oszillationen in kleinen externen Magnetfeldern. Die Stärke von alpha wird durch Anlegen von Gatespannungen geregelt.
Messungen an Inversionsschichten von p-Typ InAs Einkristallen sowie an InAs/In0.75Ga0.25As Heterostrukturen zeigen SdH Oszillationen und WAL. Für beide Materialsysteme stimmen die Ergebnisse aus WAL qualitativ und quantitativ mit durch k · p Theorie berechneten Werten überein. Aus den beiden Messmethoden der SdH Oszillationen und der WAL ergeben sich jedoch unterschiedliche Rashba Parameter. In den Inversionsschichten sind zwar die Größenordnungen von alpha vergleichbar, weisen aber eine gegensätzliche Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte ns auf: während die aus SdH Oszillationen bestimmten Werte mit ansteigendem ns zunehmen, nehmen die durch WAL bestimmten Werte ab. In den Heterostrukturen ist die Abhängigkeit von alpha von ns für beide Meßmethoden vergleichbar, jedoch ergibt sich aus SdH Oszillationen ein um eine Größenordnung stärkerer Rashba Parameter, als aus WAL.
In InAs/In0.75Ga0.25As Heterostrukturen mit eingewachsenem Back-Gate werden sowohl WAL als auch SdH Oszillationen beobachtet. Anlegen von Spannungen an ein Front-Gate oberhalb des 2DEG sowie an das Back-Gate ermöglicht die Stärke der Spin-Bahn Wechselwirkung bei unveränderter Ladungsträgerdichte zu regeln. Mittels WAL wurden Änderungen im Rashba Parameter von 17% bestimmt, und mittels SdH Oszillationen Änderungen von über 100%.
Die Spin-Bahn Wechselwirkung in In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As Heterostrukturen wird mit der vor kurzem vorgeschlagenen Methode der AAS Oszillationen untersucht. Das Zusammenspiel der Feld- und Grenzflächenbeiträge zu alpha wird an Proben untersucht, die positive bzw. negative Potentialgradienten senkrecht zum 2DEG aufweisen. Zusätzlich werden Proben mit und ohne an einer Kanalgrenzfläche eingewachsenen InP Schicht verwendet. Der Magnetowiderstand von Arrays ballistischer, quadratischer Interferometer weist Oszillationen in niedrigen Magnetfeldern auf, deren Amplitude von alpha abhängt. Durch Verwendung von WAL und AAS Oszillationen wird die Spin-Bahn Wechselwirkung in niedrigen Magnetfeldern über einen weiten Bereich von Ladungsträgerdichten untersucht. Sowohl additives wie auch subtraktives Verhalten der Feld- und Grenzflächeneffekte wird in den In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As Heterostrukturen beobachtet.
Rashba spin-orbit interaction in two-dimensional electron gases (2DEGs) of narrow-gap III-V semiconductors is studied in this thesis. Spin-orbit interaction in such systems is governed by structure inversion asymmetry: both potential gradients across the 2DEG and quantum-well boundaries significantly contribute to spin-orbit interaction, the strength of which is expressed by the Rashba parameter alpha. Three experimental techniques are used to determine the values of alpha: Shubnikov-de Haas (SdH) oscillations in high external magnetic fields, and weak antilocalisation (WAL) as well as Al'tshuler-Aronov-Spivak (AAS) oscillations in near-zero external magnetic fields. Control of alpha is effected by applied gate voltages.
High-field and low-field magnetotransport experiments are performed on inversion layers of p-type InAs single crystals and on InAs/In0.75Ga0.25As heterostructures. SdH oscillations and WAL are observed for both material systems. The Rashba parameters obtained from the WAL are found to agree qualitatively and quantitatively with k · p theory calculations. The Rashba parameters determined from SdH oscillations in high magnetic fields disagree with those determined by WAL in low magnetic fields. In the inversion layers, the values of alpha determined by the two techniques are of the same order of magnitude, but the dependence on the carrier density differs: the results from SdH oscillations increase with increasing carrier density whereas the results from WAL decrease with increasing carrier density. In the heterostructures, the values of alpha determined by the two techniques show a similar dependence on the carrier density, but the values gained from SdH oscillations are an order of magnitude larger than those gained from WAL.
Both WAL and SdH oscillation experiments are performed on InAs/In0.75Ga0.25As heterostructures with an ingrown back-gate. Application of voltages to the front-gate and the back-gate enable tuning of the strength of the Rashba parameter at a constant carrier density. A relative change in alpha of 17% is detected by WAL, and a change of over 100% is determined from SdH oscillations.
MOCVD grown In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As heterostructures are studied by the recently proposed technique of AAS oscillations. Samples with positive and negative potential gradients across the 2DEG, with and without an InP layer at one channel interface, are used to examine the interplay of the field and the boundary contributions to alpha. Arrays of micrometer-sized ballistic square-loop interferometers are defined by electron-beam lithography. These exhibit distinct oscillations in the magnetoresistance at near-zero fields, the amplitude of which depends on alpha. By combined use of WAL and AAS oscillations, the spin-orbit interaction strength in low magnetic fields is obtained for a wide range of carrier densities. Both additive and subtractive behaviour of the field and boundary contribution are observed in the In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As heterostructures.