Impact of Remote Ionized Impurities on the - ETH E

DISS. ETH NO. 23406
Impact of Remote Ionized
Impurities on the Quality of a
Two-dimensional Electron System
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Sebastian Peters
Dipl. Phys., Universität Hamburg
born on 05.06.1982
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Werner Wegscheider, examiner
Prof. Dr. Klaus Ensslin, co-examiner
2016
Abstract
The formation of exotic quantum states like the fractional quantum
Hall (FQH) states in a two-dimensional electron system (2DES) requires a certain quality of the system; the 2DES quality is determined
by scattering from disorder that is inevitably implemented in the hosting material system. For lack of a universal quality criterion, the 2DES
quality has to be assessed individually in terms of a quantum state.
Concerning the FQH states, remote ionized impurities (RIs) have
been ascertained to constitute the most prominent quality-limiting
factor.
We present an experimental study of the scattering mechanisms in
a 2DES which is either fully induced by the field effect in an undoped
structure or results from remote doping. The quality criteria – the
electron mobility, the quantum scattering time, and the number and
development of certain fractional quantum Hall states – are analyzed
and compared. The elimination of the RI scattering in the undoped
system yields a notable increase in quality independent of the applied
criterion.
As a second approach to reduce the impact of RIs, we apply a
pinch-off gating technique that enables us to separate an intentional
parallel conducting layer (PCL) from the Ohmic contacts to the
2DES of a modulation-doped structure. First investigations of the
screening of the 2DES from the RIs by means of the PCL promise an
enhancement of the 2DES quality.
iii
Abriss
Die Ausbildung exotischer Quantenzustände wie der fraktionalen
Quanten-Hall-Zustände in einem zweidimensionalen Elektronensystem (2DES) erfordert eine gewisse Qualität des Systems, wobei diese Qualität durch die unweigerlich im Materialsystem vorhandenen
Unreinheiten bestimmt wird. In Ermangelung eines universalen Qualitätskriteriums muss die 2DES-Qualität im Einzelfall eines konkreten
Quantenzustands bewertet werden. Im Fall der fraktionalen QuantenHall-Zustände haben sich Unreinheiten fernab des zweidimensionalen
Elektronensystems, die ionisierten Donatoren, als bedeutendster limitierender Faktor hinsichtlich der Qualität herausgestellt.
Wir präsentieren eine experimentelle Untersuchung der Streumechanismen in einem 2DES, das entweder in einer undotierten Struktur
mittels des Feldeffekts induziert oder durch eine räumlich getrennte
Dotierschicht hervorgerufen wird. Die Qualität beider Systeme wird
auf Basis der Kriterien Elektronenbeweglichkeit, Quantenstreuzeit
und Ausprägung der fraktionalen Quanten-Hall-Zustände bewertet
und verglichen – mit dem Ergebnis, dass die Vermeidung der als
entfernte Streuzentren wirkenden ionisierten Dotieratome zu einer
Qualitätsverbesserung unabhängig vom zugrunde gelegten Kriterium
führt.
Einen zweiten Ansatz zur Reduktion des Einflusses der entfernten
Dotieratome stellt eine Abschnürtechnik dar, mittels derer wir eine beabsichtigte parallelleitende Schicht von den Ohmschen Kontakten zum
2DES einer dotierten Struktur trennen können. Erste Untersuchungen
hinsichtlich der Abschirmung des 2DESs gegen die Dotieratome durch
die parallelleitende Schicht sind vielversprechend.
v

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