title: Non-equilibrium transport in surface superlattices realized by cleaved-edge overgrowth
Creators: name: Feil, Thomas
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2006
Subjects: subject: Drei-Fünf-Halbleiter , Heterostruktur , Terahertzbereich , Halbleiteroberfläche , Oszillator , Magnetowiderstand , Übergitter , Oberflächenübergitter , Blochoszillator , Ladungsträgerdomänen , Negative differentielle Leitfähigkeit , Transport , surface superlattice , Bloch oscillator , shunted , Quantum Hall Effect , NDC
subject: 530 Physik
subject: 72.20.Ht
subject: 73.21.Cd
subject: 73.40.-c
subject: 73.43.Qt
subject: 73.50.Mx

description: The thesis deals with the low-temperature electron transport in two-dimensional electron systems with a one-dimensional, atomically precise, strong short-period modulation, called surface superlattices. The short periodicity of the modulation leads to the formation of minibands separated by minigaps for the transport perpendicular to the modulation potential. In analogy to usual semiconductor superlattices the miniband transport is described in terms of Bloch oscillations leading to negative differential conductivity and a possible realization of a THz Bloch oscillator with these structures is discussed. In particular it is shown that the lower dimensionality of the structure changes the dynamics of electric field instabilities. The small ratio of width to length for the two-dimensional system leads to a decrease of the growth factor of charge domains by the same ratio, which means that surface superlattices exhibit a greater stability towards the formation of charge domains. Moreover, a so called shunted surface superlattice structure is realized. In such a system an additional transport channel is directly attached to the side of the active superlattice. In the described approach this can be done with an atomically precise interface. The parallel transport channel is expected to act as a drain for charge carrier fluctuations that would lead to electric field instabilities in the neighbouring superlattice. And indeed it is shown that the shunted surface superlattice shows the perfect negative differential conductivity expected for a superlattice with a homogeneous electric field alignment. This means that the discussed system is the first realization of a superlattice with homogeneous electric field at high electron densities and makes it a very promising candidate for a possible THz solid state oscillator. A two-dimensional transport model is developed that allows to directly extract the transport parameters from the experimental data. With these numbers the THz gain in the structure can be approximated. Experimental evidence for the claimed shunt stabilized surface superlattice is given in terms of magnetic field dependent current-voltage characteristics. The homogeneity of the electric field is shown through the observation of Stark-cyclotron resonances and the claim of domain free high-density superlattice transport is proven through a detailed discussion of the transport in the surface superlattice in crossed electric and magnetic fields. Besides magnetic field dependent measurements also the DC transport in GHz and THz electromagnetic fields is analyzed with respect to the question whether a THz oscillator might be realized. Finally, the last part of the thesis deals with the linear response transport measurements in dependence of a magnetic field applied perpendicular to the two-dimensional electron system. The observed magnetoresistance oscillations are discussed both in terms of semiclassical and quantum-mechanical models. A conclusive connection between the experimental data and the theory of the integer quantum Hall effect in such structures is established. The magnetoresistance measurements also confirm the calculated miniband structures that were used as input for the Bloch oscillation studies.
description: Die Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Tieftemperaturtransport in zweidimensionalen Elektronensystemen, die mit Hilfe eines eindimensionalen, atomar präzisen Potential stark und kurzperiodisch moduliert sind und im folgenden als Oberflächenübergitter bezeichnet werden. Aufgrund der kurzen Periode der Modulation kommt es zur Ausbildung von Minibändern, die durch Minilücken voneinander getrennt sind. In Anlehnung an herkömmliche Halbleiterübergitter wird der elektrische Transport in diesen Strukturen anhand von Blochoszillationen, die zu einer negative differentiellen Leitfähigkeit führen, beschrieben. Darauf basierend wird die Möglichkeit der Realisierung eines THz Blochoszillators diskutiert. Insbesondere wird gezeigt, dass die verringerte Dimensionalität der Struktur zu einer starken Veränderung der Dynamik von Instabilitäten des elektrischen Feldes führt. Das Verhältnis extrem kleine Verhältnis von Dicke zu Länge des zweidimensionalen Systems führt zur Abnahme des Wachstumskoeffizienten für Ladungsträgerdomänen um denselben Faktor. Dies bedeutet das Oberflächenübergitter eine erhöhte Stabilität bezüglich der Entstehung von Ladungsträgerdomänen aufweisen. Darüber hinaus wird die Realisierung eines kurzgeschlossenen Oberflächenübergitters vorgestellt. Dabei befindet sich der Kurzschluss unmittelbar an der Seite des aktiven Übergitters. Der verwendete Herstellungsprozess führt dabei zu einem atomar glatten Interface zwischen beiden Teilen. Der zusätzliche Transportkanal in Form des Kurzschlusses dient als Abfluss für Ladungsträgerfluktuationen, die zu Instabilitäten des elektrischen Feldes im benachbarten Oberflächenübergitter führen würden. Es wird gezeigt, dass kurzgeschlossene Oberflächenübergitter eine stabile negativ-differentielle Leitfähigkeit zeigen, wie sie für ein Übergitter mit homogener Feldverteilung vorhergesagt ist. Dies macht das System zur ersten Realisierung eines Übergitters mit homogener Feldverteilung für hohe Elektronendichten und zu einem viel versprechenden Kandidaten für die Realisierung eines möglichen THz Oszillators. Durch Vergleich des Experiments mit einem zweidimensionalen Transportmodel werden die wichtigsten Transportparameter gewonnen, mit denen dann eine Abschätzung des THz Gewinns im System erfolgen kann. Ein experimenteller Beweis des propagierten kurzgeschlossenen Oberflächenübergitters wird mit Hilfe von magnetfeldabhängigen Strom-Spannungs-Kennlinien geführt. Die Homogenität des elektrischen Feldes wird dabei aus der Beobachtung von Stark-Zyklotron-Resonanzen gefolgert, und die Behauptung, dass der Transport im Oberflachenübergitter auch für große Dichten homogen ist, wird durch eine detaillierte Diskussion dieses Transports in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern bestätigt. Neben magnetfeldabhängigen Messungen wird auch der Gleichstromtransport in der Anwesenheit von GHz und THz Wechselfeldern in Bezug auf eine mögliche Realisierung eines THz Oszillators analysiert. Im letzten Abschnitt der Arbeit wird schließlich noch der Widerstand der Struktur in Abhängigkeit eines senkrecht zum zweidimensionalen System angelegten Magnetfeldes in der Näherung der linearen Antwort untersucht. Die beobachteten Magnetowiderstandsoszillationen werden sowohl im Rahmen eines semiklassischen als auch eines quantenmechanischen Modells diskutiert. Dabei wird eine eindeutige Verbindung zwischen den experimentellen Ergebnissen und der Theorie des integralen Quanten-Hall-Effektes für kurz-periodisch modulierte Systeme erarbeitet. Darüberhinaus bestätigen die Magnetowiderstandsmessungen auch die numerisch berechneten Bandstrukturen, die im Rahmen der Blochoszillatoruntersuchungen als Grundlage verwendet wurden.