Kurzfassung
Das Konzept der Spinelektronik nutzt sowohl die Ladung als auch den Spin eines Elektrons als Informationsträger. Daher muss die zuverlässige Erzeugung, Beeinflussung und Detektion von spinpolarisierten Strömen gewährleistet sein. Während die Injektion von spinpolarisierten Strömen aus einem Ferromagneten in einen Halbleiter und die optische Erzeugung einer Spinpolarisation in einem Halbleiter schon gezeigt wurden, wären reine Halbleiterbauelemente, die eine rein elektrische Manipulation der Spinpolarisation ermöglichen für die praktische Anwendung wünschenswert. In einem reinen Halbleiterbauelement würde Streuungen an Grenzflächen und Leitfähigkeitsunterschiede verschiedener Materialien vermieden. Durch eine hohe Spin-Bahn-Wechselwirkung ist InAs sehr gut für spinelektronische Anwendungen geeignet. In Dreitor-Bauelementen aus quasi-eindimensionalen InAs Quantendrähten ist der Spin-Hall-Effekt für die Spinaufspaltung verantwortlich. Da Streuung zwischen den Subbändern die Spin-Hall-Information verbirgt, muss die Ladungsträgerkonzentration verringert werden, bis nur noch wenige Transportmoden besetzt sind. Es ist allerdings bisher nicht zweifelsfrei gezeigt worden, dass der Transport der Elektronen ballistisch ist. Daher können mögliche Streuprozesse die Interpretation des Signals in Bezug auf den Spinzustand verfälschen. Neben Spinfilterkaskaden wurden deshalb in dieser Arbeit auch einzelne Quantenpunktkontakte untersucht. Beide Bauelemente wurden mit zwei verschiedenen Gatedesigns hergestellt. Um die Ladungsträgerkonzentration zu verringern kann entweder die effektive elektrische Drahtbreite lokal durch ein repulsives Potential an einem Sidegate verringert werden, oder die Elektronendichte wird durch ein globales Topgate im gesamten Bauelement kontrolliert. Während die seitlichen Elektroden im selben Präparationsverfahren wie die Drähte hergestellt werden können, benötigen Topgates zusätzliche Präparationsschritte, um das metallische Gate vom InAs-Kanal elektronisch zu isolieren. Ein Vorteil des Topgate-Konzepts ist eine konstante effektive elektrische Breite des gesamten Drahtes. Ebenso werden Missdeutungen der Spinfiltermessungen vermieden, da nur eine einzige Gatespannung die Leitfähigkeit beeinflusst, statt fünf individueller Sidegate-Spannungen, die sorgfältig abgestimmt werden müssen. Sowohl in Quantenpunkt/-kontakten als auch in einer verbesserten Spinfilterkaskade suggeriert eine deutlich erkennbare Leitfähigkeitsquantisierung das Erreichen des ballistischen Transportregimes in den InAs-Strukturen.
For spintronic devices, in which charge and spin of the electrons are both envisioned to carry the information, efficient generation, manipulation, and detection of spin-polarized currents are mandatory. While optical injection as well as injection of spin-polarized electrons from ferromagnets have been demonstrated, all-semiconductor devices would be favorable from an application's point of view. All-electrical manipulation of spins inside the same semiconductor would avoid interface scattering and conductivity mismatch. Due to its strong spin-orbit interaction, InAs is the ideal material for spintronic applications. Previously, the intrinsic spin Hall effect has been employed as the spin-separating agent in three-terminal devices comprising quasi one-dimensional InAs quantum wires. As intersubband scattering obscures the spin Hall information, the carrier density has to be reduced to populate only the lowest one-dimensional modes. Since the transport has not yet doubtlessly been proven to be ballistic and possible scattering events may have influenced the interpretation of the spin-related signal, in this thesis also InAs quantum point contacts have been investigated on its own besides an improved spin-filter cascade. Different gate designs have been employed for the experiments performed on the quantum point contacts and the spin-filter cascades. To reduce the carrier density either the effective width of the InAs channel is reduced locally by repulsive side-gate voltages or the carrier density is globally controlled in the whole device by a top-gate electrode. While the side-gate electrodes can be fabricated in the same preparation step as the wires of a device, top-gate electrodes require additional steps, because of the necessity of an insulating layer between the metallic gate and the InAs channel. As an advantage of the top-gate concept the effective electronic width of the InAs channel is kept constant ensuring a high homogeneity of the confining potential. Also ambiguities in the spin-filter measurements are reduced as only one global top-gate voltage has to be adjusted instead of five individual side-gate voltages that all have to be adjusted carefully. In quantum point contacts and spin-filter cascades clearly resolved conductance quantization indicates ballistic transport in the InAs devices.