Exzitonen in gekoppelten 2d Elektronen- und 2d Lochgasen

Abstract

Gegenstand der Arbeit ist die Herstellung und Untersuchung von gekoppelten 2d Elektronen- und Lochsystemen. Für solche Systeme werden bei ausreichend geringem Abstand zwischen der Elektronen- und der Lochschicht auf Grund der anziehenden Coulombwechselwirkung neuartige Zustände des Vielteilchensystems erwartet. Bei tiefen Temperaturen sollen sich räumlich indirekte Exzitonen bilden und einen Kosterlitz Thouless Phasenübergang zeigen. Es wurden Abstnde zwischen dem Elektronen- und dem Lochsystem bis herunter zu 15,3 nm realisiert. Zunächst wird eingehend beschrieben, wie im GaAs/AlGaAs Materialsystem ein Transistor aufgebaut werden kann, bei dem sich eine Elektronen- und eine Lochschicht in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Beide leitfähigen Schichten besitzen mehrere Kontakte; zu deren Herstellung wurde ein Verfahren aufgebaut und entwickelt, das auf der Kombination von Molekularstrahlepitaxie und fokussierter Ionenstrahlimplantation, die während einer Wachstumsunterbrechung durchgeführt wird, basiert. Im weiteren wird beschrieben, wie die Prozessierung der Probe durchgeführt werden muß und die Kontakte angeschlossen werden. Es werden Transportmessungen gezeigt und die grundsätzlichen Eigenschaften des neuartigen Doppellagentransistors demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die thermodynamischen Eigenschaften des 2d Elektronen- und Lochsystems mit Hilfe von Kapazitätsmessungen untersucht. Die Magnetooszillationen der Kapazitätsmessungen lassen die unabhängige Bestimmung der Dichte des Ladungssystems zu und sind durch die magnetfeldabhängige Kompressibilität des Elektronensystems verständlich. Bei geringsten und identischen Dichten zwischen dem Elektronen- und dem Lochsystem zeigt sich bei tiefsten Temperaturen ein Peak in der Kapazität, der durch die Bildung von Exzitonen erklärt werden kann. Das Verhalten des Peaks in Abhängigkeit der Temperatur und dem Magnetfeld wird diskutiert.

The subject of this work is the fabrication and investigation of coupled 2d electron- and hole systems. For this type of systems at sufficiently low distance between the electron and the hole layer new states of the many particle system are expected due to the attractive Coulomb interaction. At low temperatures spatially indirect excitons should form and condense in a Kosterlitz Thouless type of phase transition. Distances between the electron and the hole system as low as 15.3 nm have been realized. First it is shown, how to build a transistor in the GaAs/AlGaAs material system, in which an electron and an hole layer are in this low distance. Both conducting layers have several contacts; for their fabrication a process was developped which is based on a combination of molecular beam epitaxy and focussed ion beam implantation, which is performed during a growth interuption. After that it is described, how the processing is done and how the contacts are connected. Transport measurements are shown and the general features of the new kind of double layer transistor are demonstrated. In the second part of this work the thermodynamic properties of the coupled 2d electron- and hole system are investigated with capacity measurements. The magnetooscillations of the capacity measurements allow for the independent determination of the density of the charge system and can be understood as consequence of the magnetic field dependent compressibility of the electron system. At the lowest and identical densities of the electron- and the hole system a peak appears at the lowest densities in the capacitance, which can be explained by the formation of excitons. The dependence on temperature and magnetic field of the peak is discussed.