Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war es, in situ Trockenätzprozesse für GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen zu studieren. Diese Ätzprozesse sollten so beschaffen sein, dass in situ geätzte Oberflächen anschließend ohne zwischenzeitlichen Atmosphärenkontakt in einem Molekularstrahlepitaxie (MBE)-System epitaktisch überwachsen werden können. Im Besonderen sollte es möglich sein, an den geätzten und überwachsenen Grenzflächen hochbewegliche, niedrigdimensionale Elektronensysteme zu erzeugen. Derartige in situ-Trockenätzprozesse könnten dafür genutzt werden, ex situ durch Photolithographie strukturierte Substrate zu reinigen und die Strukturen in die später elektronisch aktiven Bereiche des Kristalls zu übertragen. Durch ein anschliessendes epitaktisches Überwachsen könnten auf diese Weise Strukturen mit neuartigen Potentialen für niedrig-dimensionale, hoch-be-wegliche Elektronensysteme geschaffen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine bestehende Prozesskammer, welche über einen Vaku-umtransfer-Tunnel mit einer MBE-Anlage verbunden ist, weiter optimiert. In dieser Kammer sind mit Hilfe eines Substratheizers, eines Injektionssystems für Chlorgas und einer Ionen-quelle sowohl das chemische Gas-Ätzen (CGE), Ionenstrahl-Ätzen (IBE) und chemisch unterstütztes Ionenstrahl-Ätzen (CAIBE) möglich.
Die Auswirkungen der Ätzprozesse auf eine geätzte und überwachsene Grenzfläche wird Ätz-Parameter abhängig mit Hilfe von zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES), welche direkt an den geätzten und überwachsenen Grenzflächen liegen, studiert. Hierzu werden dicke MBE-gewachsene GaAs-Puffer einem bestimmten in situ-Ätzprozess ausgesetzt und anschließend ohne zwischenzeitlichen Atmosphärenkontakt mit einer modulations-dotierten Heterostruktur in der MBE-Anlage überwachsen. Die elektronischen Eigenschaften dieser 2DES werden mit Ferninfrarot-Spektroskopie (FIR) und Magnetotransport untersucht und die Messergebnisse hinsichtlich der in den 2DES wirkenden Streumechanismen analysiert. Besonderes Augenmerk galt dem CGE-Prozess. Für diesen Ätzprozess wird eine eindeutige Korrelation der Ätzparameter mit der Beweglichkeit des 2DES festgestellt. Die maximal erreichte Ladungsträgerbeweglichkeit an einer CGE-geätzten über-wachsenen Grenzfläche beträgt µ ~ 190.000 cm2/Vs bei einer Ladungsträgerdichte von Ns ~ 4 ×1011 cm-2. Dies ist die höchste bisher berichtete Elektronenbeweglichkeit an einer solchen geätzten und überwachsenen Grenzfläche. Der Streumechanismus an der Grenzfläche lässt sich anhand unserer Auswertungen auf entweder eine Grenzflächenrauhigkeit oder Grenzflächenladungen eingrenzen. Dabei gibt es Indizien dafür, dass im Besonderen die Grenzflächen-rauhigkeit einen dominanten Einfluss hat. Dieser Befund wird durch Raster-Kraft-Mikroskopische (AFM)-Aufnahmen an CGE-geätzten GaAs-Oberflächen untermauert. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich eine durch einen Ionenprozess (CAIBE) geschädigte GaAs-Oberfläche mit CGE so weit reinigen lässt, dass ein 2DES mit Magnetotransport an der modu-lationsdotiert überwachsenen Grenzfläche nachgewiesen werden kann.
Durch Optimierung der Prozesskammer und den Gaszuleitungen gelingt es, Ätztiefen mit CGE mit einer Genauigkeit von 5-10% reproduzierbar einzustellen. Dieses ermöglicht eine gezielte Untersuchung von ex situ strukturierten, in situ weitergeätzten und schließlich modulationsdotiert überwachsenen Proben.
The aim of this work was the study of in situ dry etching techniques for GaAs/AlGaAs-heterostructures. The etching processes should allow epitaxial overgrowth of the in situ etched surfaces, using a molecular epitaxy (MBE) system, without atmospheric contact during the transfer between the etching chamber and the MBE system. In particular, it should be possible to create high mobility low dimensional electron systems, residing directly at the etched and regrown interfaces. These types of in situ dry etching techniques could be used to clean surfaces contaminated by photolithographic processing and to transfer the structures into the electronic active regions of the crystal. By subsequent epitaxial overgrowth of these structures new potentials for high mobility low dimensional electron systems might be created.
In this thesis an existing treatment chamber, connected to a MBE system via a vacuum-transfer tube, was further optimized. The treatment chamber is equipped with a substrate heater, an injection system for chlorine gas and an ion source, allowing chemical gas etching (CGE), ion beam etching (IBE) and chemical assisted ion beam etching (CAIBE). The effects of these etching processes on two dimensional electron systems (2DES), residing directly at an etched and regrown interface, are studied in dependence of the etching parameters. For this purpose thick MBE-grown GaAs buffers are etched back by a particular etching process and afterwards, without any exposure to the atmosphere, overgrown in the MBE system with a modulation doped heterostructure. The electronic properties are investigated by far infrared spectroscopy (FIR) and magneto transport. The data is analysed regarding the scattering mechanisms present at the etched and regrown interface. In this study we paid special attention to the CGE-process. For CGE we find a strong correlation between the etching parameters and the electron mobility of the 2DES. The highest achieved carrier mobility at a CGE-etch and regrown interface is µ ~ 190000 cm2/Vs with Ns ~ 4 ×1011 cm-2 as carrier density. This is the highest electron mobility at an etched and regrown interface ever reported. We find that the dominant scattering mechanism must be either interface roughness scattering or interface charge scattering. There are indications that especially interface roughness scattering has a dominant influence on the 2DES. This diagnosis is supported by atomic force microscopy (AFM) measurements on CGE-etched GaAs surfaces. Moreover, we show that a GaAs surface, damaged by ion bombardment due to a CAIBE-process, can be cleaned by subsequent CGE so that, after overgrowing the etched surface with a modulation doped heterostructure, a 2DES can be detected with magneto transport at the etched and regrown interface.
By optimizing the treatment chamber and the gas supply lines, we can reproduce CGE-etching depths with an accuracy of 5-10%. This allows detailed studies of ex situ structured, subsequently in situ etched and finally modulation doped MBE overgrown samples.