"Extraordinary Magnetoresistance Effekt: Metall-Halbleiter-Hybridstrukturen in homogenen und inhomogenen Magnetfeldern"

"Extraordinary Magnetoresistance Effect: Metal-Semiconductor Hybrid Structures in homogeneous and inhomogeneous Magnetic Fields"

Kurzfassung

Metall-Halbleiter-Hybridstrukturen zeigen den von S. A. Solin und Mitarbeitern entdeckten so genannten Extraordinary Magnetoresistance (EMR) Effekt [Science 289, 1530, (2000)]. Dieser geometrische Magnetowiderstandseffekt wird in der vorliegenden Arbeit in Hybridstrukturen untersucht, die aus einer InAs-InGaAs-Heterostruktur mit einem integrierten zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) und einem Goldfilm bestehen. Zur Herstellung der mikrostrukturierten Hybridstrukturen wurde ein Präparationsverfahren entwickelt, mit dem der Goldfilm auf eine frische Spaltfläche der Heterostruktur aufgebracht wird. Dies ermöglicht sehr gute Grenzflächen zwischen 2DES und Gold mit einem spezifischen Kontaktwiderstand von bis zu ρ_c = 1,5 x 10-8 Wcm² bei T = 4 K, der nahe am Sharvin-Widerstand liegt, der die untere Schranke für den spezifischen Kontaktwiderstand darstellt.

Mit magnetfeldabhängigen Potenzialmessungen wird das Zustandekommen des EMR-Effektes durch die magnetfeldbedingte Stromumverteilung zwischen Metall und Halbleiter studiert und der Zusammenhang mit dem Hall-Effekt erläutert. Es wird gezeigt, dass die Transferfunktion dR/dB in der Hybridstruktur bei spezieller Anordnung von Strom- und Spannungskontakten den Hall-Effekt im homogenen Halbleiter übertreffen kann.

Weiterhin wird der Einfluss der Materialparameter des 2DES, des Kontaktwiderstands und der Geometrie auf den EMR-Effekt detailliert untersucht. Für große Magnetowiderstandsänderungen ist dabei in der Regel ein geringer Kontaktwiderstand von Vorteil. Die Geometrieabhängigkeit wird durch Variation der Weite W bzw. der Länge L des 2DES untersucht. Es zeigt sich hierbei, dass der Geometrieparameter W/L für das Magnetowiderstandsverhalten der Hybridstruktur ausschlaggebend ist, und dass ein optimierter Wert existiert. Die beste Hybridstruktur wies einen relativen Magnetowiderstand von 115 000 % bei einem Magnetfeld von B = 1 T auf.

Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung der Hybridstruktur als Magnetfeldsensor ist die Untersuchung der Reaktion auf lokale Magnetfelder interessant. Dazu wird auf der Sensoroberfläche ein mikrostrukturierter Eisen-Magnet integriert, dessen Streufeld das lokale Magnetfeld erzeugt. Dabei zeigt sich eine starke Abhängigkeit der Sensitivität der Hybridstruktur von der Position des Mikromagneten, von der Anordnung der Strom- und Spannungskontakte und von der Geometrie der Hybridstruktur.

Titel

Kurzfassung

Summary

Metal-semiconductor hybrid structures show the so-called extraordinary magnetoresistance (EMR) effect which was discovered by S. A. Solin and co-workers [Science 289, 1530, (2000)]. In this work this geometric magnetoresistance effect is investigated. The hybrid structures consist of an InAs-InGaAs-heterostructure with an embedded two-dimensional electron system (2DES) and a gold film. For the fabrication of the microstructured hybrid structures we developed a preparation technique which allowed us to deposit the gold on a clean cleaved edge of the heterostructure. This made it possible to achieve an interface of high quality between the gold and the 2DES which showed a contact resistivity of ρ_c = 1,5 x 10^-8 Wcm² at T = 4 K which is close to the theoretical limit given by the Sharvin resistance.

The origin of the EMR effect is the magnetic-field-dependent redistribution of the current between the 2DES and the metal. The EMR effect and the connection with the Hall effect is studied by detailed potential measurements in magnetic fields. It is shown that depending on the current and voltage probe configuration the transfer function dR/dB of the hybrid structure exhibits higher values than a Hall device consisting of homogeneous semiconductor. The influence of the material parameters of the 2DES, of the contact resistance and of the geometry of the hybrid structure is analyzed in detail. We show that in general a low contact resistance is essential for a high magnetoresistance effect. To study the influence of the geometry we have varied the width W and the length L of the 2DES systematically. It is shown that the parameter W/L is crucial for the magnetotransport properties of the hybrid structure and that an optimized value exists. Our best hybrid device exhibited a relative magnetoresistance of 115 000 % at a magnetic field of B = 1 T.

With regard to possible applications of the hybrid structures as magnetic field sensors it is important to examine the hybrid structures in local magnetic fields. For this purpose a microstructured magnet consisting of iron is placed on the surface of the hybrid structure. The stray field of the micro magnet is used to apply a local magnetic field which is controlled by an external magnetic field. We find that in this case the sensitivity of the hybrid structure strongly depends on the position of the stray field, on the current and voltage probe configuration as well as on the geometry of the hybrid structure.