Ablenkung ballistischer Elektronen in AlGaAs/GaAs Heterostrukturen mittels elektrischer und magnetischer Felder

Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente zum ballistischen Elektronentransport in 2-dimensionalen Elektronengasen. Ausgangsmaterial für die Herstellung der Proben waren AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen, die mittels MBE (Molekularstrahlepitaxie) hergestellt wurden. Die Struktur der Proben wurde über metallische Gates auf der Oberfläche definiert, mit denen durch Anlegen einer negativen Spannung das darunterliegende Elektronengas verarmt werden konnte. Um die erforderlichen Strukturgrößen von weniger als 1 $\mu$m zu erreichen, wurden elektronenlithographische Verfahren zur Strukturierung eingesetzt. Sämtliche Messungen sind bei tiefen Temperaturen in einem $^{3}$He-Kryostaten bzw. $^{3}$He/$^{4}$He-Mischkryostaten durchgeführt worden. Zur Emission bzw. Detektion ballistischer Elektronen dienten Split-Gate-Punktkontakte. Messungen an einzelnen Punktkontakten zeigten, wie schon in [3], [4], eine Quantisierung der Leitfähigkeit in Stufen von 2e$^{2}$/h. Voraussetzung für die Interpretation von Experimenten, bei denen eine Steuerung ballistischer Elektronen vorgenommen werden soll, ist die genaue Kenntnis der Emissions- bzw. Detektionseigenschaften der Punktkontakte. Durch Messungen an gegenüberliegenden Kontakten in unterschiedlichen Abständen wurde deshalb zunächst die Winkelverteilung der emittierten Elektronen bei verschiedenen Punktkontaktwiderständen ermittelt. Bei dem kurzen Abstand von 2$\mu$m konnten die gewonnenen Ergebnisse gut mit dem Modell von Beenakker et al. [53] erklärt werden. Für größere Abstände (4$\mu$m, 6$\mu$m) zeigten sich hingegen zusätzliche Strukturen in der Winkelverteilung, die auf den Einfluß von Störstellen im Halbleiter zurückgehen. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften an einer Potentialstufe wurden anhand eines um 45° geneigten Gates studiert, das von einem Emissions- und zwei Detektionspunktkontakten umgeben war. Bei der Messung der reflektierten Elektronen in Abhängigkeit von der Höhe des Potentialsprunges zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen. Der Anteil der unter dem Gate transmittierten Elektronen nahm hingegen bei Erhöhung des Potentialsprungesschneller ab, als durch Simulationsrechnungen erwartet wurde. Ursache für den beobachteten stärkeren Signalabfall ist die erhöhte Elektronenstreuung bei abnehmender Elektronenkonzentration. Der Einfluß verschiedener Auftreffwinkel bei der Reflexion wurde mittels magnetfeldabhängiger Messungen untersucht. Durch direkten Vergleich mit Ergebnissen eines Simulationsprogramms, welches die Elektronentrajektorien innerhalb der Gate-Struktur berechnete, konnte die angenommene Potential- und Winkelabhängigkeit des Reflexionskoeffizienten bestätigt werden. Mit Hilfe von Magnetfeldern, die durch zwei supraleitende Leiterschleifen auf der Halbleiteroberfläche erzeugt wurden, gelang es einen Strahl ballistischer Elektronen abzulenken. Die Stärke des so erzeugten Magnetfeldes betrug dabei insgesamt$\pm$ 0.45mT. Eine weitergehende Untersuchung erfolgte mittels Interferenzmessungen an Strukturen, bei denen eine der Leiterschleifen durch zwei Gate-Finger ersetzt wurde. Diese Messungen zeigten, daß das Magnetfeld der Leiterschleifen die gleichen Auswirkungen auf das Interferenzmuster hatte wie entsprechende äußere Magnetfelder. Magnetfeldabhängige Messungen an einer Probe, bei der sich zwischen zwei gegenüberliegenden Punktkontakten ein supraleitender Ring befand, zeigten oszillatorische Strukturen im Kollektorsignal, welche durch sukzessives Eindringen magnetischer Flußquanten in den Ring erklärt werden konnten. Ursache für die beobachteten Oszillationen ist die Reduktion des kritischen Stromes innerhalb des supraleitenden Materials, aufgrund von Verunreinigungen bzw. Korngrenzen