Christian Klein, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine an ein Molekularstrahlepitaxie (MBE) System adaptierte Prozesskammer
zum in-situ Ätzen von GaAs/AlxGa1-xAs Heterostrukturen aufgebaut. Durch Verwendung von Argon Ionen
und Chlorgas stehen Ionenstrahl-, chemisch unterstützte Ionenstrahl- und rein chemische Ätzprozesse
zur Verfügung. Nach Charakterisierung der Ätzprozesse bezüglich Ätzraten und Ätzprofilen werden
elektronische Schädigungen von geätzten Grenzflächen untersucht. Dazu werden unter Verwendung von
modulationsdotierten Heterostrukturen zweidimensionale Elektronengase (2DEGs) an geätzten Grenzflächen
erzeugt und deren elektronische Eigenschaften in Abhängigkeit der Ätzprozesse analysiert. Durch einen
CGE Prozeß kann planar bis zu 40 nm Material abgetragen werden, ohne dass sich die elektrischen
Eigenschaften des 2DEGs merklich verschlechtern. Auch nach einem Materialabtrag von 100 nm kann an der
Grenzfläche immer noch ein 2DEG erzeugt werden.
Nach Optimierung des Ätzprozesses werden elektrisch aktive Quantendrähte in-situ strukturiert,
die daraufhin ohne Brechen des Vakuums mittels Molekularstrahlepitaxie überwachsen werden. Hierbei
können die Oberflächenzustände an den Drahtseitenwänden durch das Überwachsen mit Al0,3Ga0,7As
teilweise abgesättigt und ein definiertes Einschlusspotential erzeugt werden. Dadurch steigen die
Elektronendichten in den Drähten um bis zu 40 % an, und die damit errechneten lateralen
Verarmungszonen werden um bis zu 30 % kleiner.
Unter Berücksichtigung der für den Ätz- und Überwachsprozess typischen Facettenbildung ist diese
Methode auch zur Erzeugung komplizierterer Strukturen geeignet, da die Vorstrukturierung mit
herkömmlichen lithographischen Methoden geschieht. Die elektrische Charakterisierung sowohl der
2DEGs als auch der quasi-eindimensionalen Systeme erfolgt mittels Ferninfrarot Transmissions
Spektroskopie bei Magnetfeldern bis zu 12 T und für 2DEGs auch mit Magnetotransport Messungen.
In this thesis the installation and characterization of a treatment chamber for in-situ etching processes of GaAs heterostructures is described. The chamber is attached to a molecular beam epitaxy (MBE) system to allow a combined process of in-situ etching followed by an epitaxial overgrowth. To characterize and optimize the possible etching processes like ion beam etching (IBE), chemical assisted ion beam etching (CAIBE) or chemical gas etching (CGE) the quality of an etched and overgrown interface is investigated. For these experiments a modulation doped high electron mobility transistor (HEMT) heterostructure is grown on top of the etched surface to form a two dimensional electron gas (2DEG). By analysing the electronic properties of this 2DEG in dependence on the etching processes the etching parameters can be optimized. After a removal of 40 nm material using CGE a 2DEG can be observed at the etched interface with electronic properties similar to those of the reference sample without etching. Even after a removal of 100 nm a 2DEG can be detected at the etched interface. By using the optimized in-situ etching processes quantum wires are prepared in the treatment chamber and subsequently epitaxially overgrown without exposing the sample to air. The overgrowth process reduces the number of surface states at the side walls of the quantum wires, where the electronic system gets in contact with the surface. After overgrowth of the quantum wires the electron densities rise about 40 %. The lateral depletion layer becomes about 30 % smaller and therefore quantum wires with smaller geometry and high confining potentials can be produced. Under consideration of the facet development of the material during the etching and overgrowth process even more complicated structures could be produced. The characterization of the electronic properties of the 2DEGs and the quantum wires was performed using far infrared spectroscopy at magnetic fields up to 12 T and magneto transport measurements.