L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du contrat européen Senshy, était la réalisation de diodes laser émettant dans le moyen infrarouge (de 3,0 à 3,4 µm). Ces diodes sont destinées à intégrer des détecteurs et des systèmes d'analyse de gaz basés sur le principe de la spectroscopie d'absorption (TDLAS) pour la détection des alcanes (méthane, éthane, propane) et des alcènes (acétylène). Les structures à puits quantiques de type I ont été réalisées par épitaxie par jets moléculaires sur GaSb.Bien qu'ayant d'excellentes performances dans la gamme 2,0-3,0 µm, les lasers GaInAsSb/AlGaAsSb montrent rapidement leurs limites en franchissant la frontière des 3 µm (la longueur d'onde la plus haute atteinte avec un tel composant est de 3,04 µm en continu à 20°C). Cette situation était d'autant plus regrettable que plusieurs gaz ont leurs raies d'absorption au-delà de 3 µm : le méthane par exemple a un pic d'absorption à 3,26 µm 40 fois plus fort que celui à 2,31 µm. En remplaçant le quaternaire AlGaAsSb par le quinaire AlGaInAsSb, nous avons montré que l'on pouvait améliorer l'efficacité quantique interne et avons obtenu des densités de courant de seuil à 2,6, 3,0 et 3,3 µm qui pouvaient être comparées favorablement aux précédents records à ces longueurs d'onde (respectivement, 142 A/cm², 255 A/cm² et 827 A/cm²).Les diodes laser DFB fabriquées à partir des structures epitaxiées ont permis d'atteindre l'émission laser à température ambiante en continu à 3,06 µm avec un caratère mono-fréquence (SMSR supérieur à 30 dB) et un courant de seuil de 54 mA. À 3,3 µm, les diodes DFB fonctionnent en continu jusqu'à 18°C avec un SMSR > 30dB et un courant de seuil de 140 mA. Finalement, ces diodes ont été intégrées dans un système d'analyse de gaz et ont permis d'atteindre une limite de concentration du méthane de 100 ppbv soit 17 fois moins que la concentration du méthane dans l'air ambiant. / The objective of this thesis, conducted as part of the European contract Senshy, was the realization of laser diodes emitting in the mid-infrared range (from 3.0 to 3.4 µm). These devices are to be integrated into detectors and gas analysis systems based on the principle of absorption spectroscopy (TDLAS). for the detection of alkanes (methane, ethane, propane) and of alkenes (acetylene). The quantum well type-I structures were made by molecular epitaxy on GaSb. Despite having excellent performance in the 2 to 3 µm range, GaInAsSb/AlGaAsSb quantum well lasers rapidly show their limits when crossing the 3 µm barrier (the highest wavelength reached with such a device was 3.04 µm under cw operation at 20°C). This situation was all the more regrettable because several gases have their strongest absorption lines in the 3 to 4 µm range: methane, for example, has a peak of absorption at 3.26 µm overhanging a weaker peak at 2.31 µm by a factor 40. By replacing the quaternary AlGaAsSb by the quinary AlGaInAsSb, we have shown that the internal efficiency could be improved and we have obtained threshold current densities at 2.6 , 3.0 and 3,3 µm that could be favourably compared to the previous records at these wavelengths (respectively, 142 A/cm², 255 A/cm² and 827 A/cm²).DFB laser diodes made from the epitaxial structures were operated at room temperature in the continuous wave regime at 3.06 µm with a single-frequency emission (SMSR greater than 30dB) and a threshold current of 54 mA. At 3.3 µm, DFB devices were operated in cw up to 18 ° C with a SMSR > 30 dB and a current threshold of 140 mA. Eventually, these devices were integrated into a gas analysis system and allowed to reach a concentration limit of 100 ppbv of methane, i.e. 17 times less than the concentration of methane in the air.

Le Bismuth, un élément V, a longtemps été négligé dans la famille des semi-conducteurs III V. Toutefois, les matériaux bismures connaissent un intérêt croissant depuis le début des années 2000, principalement en raison de l’exceptionnelle réduction de l’énergie de bande interdite couplée à la forte augmentation de l’énergie entre la bande de valence et la bande de spin-orbite introduites par l’atome de Bismuth. Parmi les alliages III-V-Bi, le GaSbBi est particulièrement intéressant pour l’émission dans la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 5 µm. Jusqu’à présent, ce matériau n’a été que très peu étudié, principalement à cause des difficultés d’incorporation du Bismuth. En effet, l’incorporation du Bismuth dans les matériaux III-V nécessite des conditions de croissance très spécifiques et inhabituelles. Dans ce contexte, l’objectif premier de cette thèse est d’étudier l’épitaxie par jet moléculaire et les propriétés du GaSbBi.Ainsi, l’influence des différents paramètres de croissance sur l’incorporation du Bismuth a été étudiée minutieusement. Ces expériences ont permis la réalisation de couches de GaSbBi à forte teneur en Bismuth démontrant une excellente qualité cristalline. La plus importante concentration de Bismuth atteinte est de 14%, ce qui constitue encore aujourd’hui le record mondial dans GaSb. Par ailleurs, une réduction de l’énergie de bande interdite de 28 meV/%Bismuth a été observée. Des puits quantiques GaSbBi/GaSb, émettant jusqu’à 3.5 µm à température ambiante ont ensuite été épitaxiés et caractérisés. Le premier laser à base de GaSbBi a également été réalisé. Ce composant fonctionne en continu à 80 K et une émission laser pulsée a été observée proche de 2.7 µm à température ambiante. Enfin, un autre alliage bismure méconnu, le GaInSbBi, a été épitaxié. L’influence de l’Indium sur l’incorporation du Bismuth et les propriétés de puits quantiques GaInSbBi/GaSb ont été étudiées. / Bismuth, a group-V element, has long been neglected in the III-V semiconductor family. However, dilute bismides started to attract great attention since the early 2000s, due to the giant bandgap reduction and the strong increase of the spin-orbit splitting energy introduced by the incorporation of Bismuth. Among the III-V-Bi alloys, GaSbBi is particularly interesting but has only been sporadically studied, mainly due to the very challenging incorporation of Bismuth. Bismuth requires indeed very unusual growth conditions to be incorporated into III-V materials. The main objective of this thesis was to investigate the molecular beam epitaxy and the properties of GaSbBi alloys and heterostructures.A careful study of the influence of the different growth parameters on the Bismuth incorporation was first carried out. These investigations lead to the fabrication of high quality GaSbBi layers and to the incorporation of 14% Bismuth, the highest content reached in GaSb so far. A bandgap reduction of 28 meV/%Bismuth was observed. GaSbBi/GaSb multi quantum-wells structures with various thicknesses and compositions were then fabricated and exhibited photoluminescence emission up to 3.5 µm at room-temperature. The first GaSbBi-based laser diode was also fabricated, demonstrating continuous wave operation at 80 K and a room-temperature emission close to 2.7 µm under pulsed excitation. Finally, the growth of another dilute bismide alloy, GaInSbBi, was investigated. The influence of the Indium atoms on the incorporation of Bismuth was particularly studied together with the properties of GaInSbBi/GaSb multi quantum-wells structures.

In this thesis, a custom quadrupole mass filter setup was established to independently investigate the impact of the most prominent ion species that are present during ion-assisted deposition. The setup was applied to the low temperature epitaxial growth of GaN thin films on 6H-SiC substrates. Atomic nitrogen ions at higher ion kinetic energies were for the first time independently identified to be the predominant cause of deteriorating crystalline qualities during growth. Precise control of the ion beam parameters yielded the capability to vary the average GaN phase content from almost purely wurtzite to the meta-stable zinc blende GaN phase. Even in case of comparably high crystalline quality, the atomic and molecular nitrogen ions were independently determined to yield distinct thin film topographies throughout the entire observed evolution of the thin film formation.:Bibliographical Description 1 Introduction 1.1 Epitaxial Thin Film Growth 1.2 Ion-Beam Assisted Deposition 1.2.1 Influence of Energetic Particles 1.2.2 Ion-atom Arrival Ratio 1.3 Gallium Nitride 2 Methods 2.1 Setup of the Deposition System 2.1.1 Knudsen Effusion Cell 2.1.2 Reflection High-Energy Electron Diffraction 2.1.3 Auger Electron Spectroscopy 2.1.4 Ion Sources 2.2 Quadrupole Mass Filter System 2.2.1 Components 2.2.2 Working Principle of a Quadrupole Mass Filter 2.2.3 Alternative Mass Filters 2.3 X-ray Diffraction and Reflectivity 2.4 Atomic Force Microscopy 2.5 Transmission Electron Microscopy 3 Results and Discussions 3.1 Characterization of the Quadrupole Mass Filter System 3.1.1 Mass Filter Performance and Resolution 3.1.2 Ion Beam Characteristics 3.1.3 Space Charge Considerations 3.1.4 Conclusions 3.2 Influence of the I/A Ratio and Ion Kinetic Energy 3.2.1 Determination of the GaN Phase Composition 3.2.2 Film Topography and Growth Mode 3.2.3 Crystal Structure and Orientation 3.2.4 Microstructure at the Interface 3.2.5 Conclusions 3.3 Impact of the Ion Species on Growth Instabilities 3.3.1 Growth Rates and Thin Film Topography 3.3.2 Crystal Structure 3.3.3 Growth Mode and RHEED pattern evolution 3.3.4 Conclusions 4 Summary and Conclusions Bibliography Complete Publication List of the Author Acknowledgments Declaration of Authorship / In dieser Arbeit wurde ein maßgefertigter Quadrupol-Massenfilteraufbau etabliert, um die Auswirkungen der prominentesten Ionenspezies, die während der ionengestützten Abscheidung vorhanden sind, unabhängig voneinander zu untersuchen. Der Aufbau wurde für das epitaktische Niedertemperatur-Wachstum von GaN-Dünnschichten auf 6H-SiC-Substraten angewendet. Atomare Stickstoffionen bei höheren kinetischen Ionenenergien wurden zum ersten Mal in der Abwesenheit anderer Spezies als die dominierende Ursache für die Verschlechterung der kristallinen Qualität während des Wachstums identifiziert. Eine präzise Kontrolle der Ionenstrahlparameter ergab die Fähigkeit, den durchschnittlichen GaN-Phasengehalt von der fast reinen Wurtzit- bis zur metastabilen Zinkblende-GaN-Phase zu variieren. Selbst bei vergleichbar hoher kristalliner Qualität weisen die mit atomaren und molekularen Stickstoffionen hergestellten Schichten unabhängig voneinander verschiedene Topographien auf, die sich während der gesamten beobachteten Entwicklung der Dünnschichtbildung deutlich abzeichneten.:Bibliographical Description 1 Introduction 1.1 Epitaxial Thin Film Growth 1.2 Ion-Beam Assisted Deposition 1.2.1 Influence of Energetic Particles 1.2.2 Ion-atom Arrival Ratio 1.3 Gallium Nitride 2 Methods 2.1 Setup of the Deposition System 2.1.1 Knudsen Effusion Cell 2.1.2 Reflection High-Energy Electron Diffraction 2.1.3 Auger Electron Spectroscopy 2.1.4 Ion Sources 2.2 Quadrupole Mass Filter System 2.2.1 Components 2.2.2 Working Principle of a Quadrupole Mass Filter 2.2.3 Alternative Mass Filters 2.3 X-ray Diffraction and Reflectivity 2.4 Atomic Force Microscopy 2.5 Transmission Electron Microscopy 3 Results and Discussions 3.1 Characterization of the Quadrupole Mass Filter System 3.1.1 Mass Filter Performance and Resolution 3.1.2 Ion Beam Characteristics 3.1.3 Space Charge Considerations 3.1.4 Conclusions 3.2 Influence of the I/A Ratio and Ion Kinetic Energy 3.2.1 Determination of the GaN Phase Composition 3.2.2 Film Topography and Growth Mode 3.2.3 Crystal Structure and Orientation 3.2.4 Microstructure at the Interface 3.2.5 Conclusions 3.3 Impact of the Ion Species on Growth Instabilities 3.3.1 Growth Rates and Thin Film Topography 3.3.2 Crystal Structure 3.3.3 Growth Mode and RHEED pattern evolution 3.3.4 Conclusions 4 Summary and Conclusions Bibliography Complete Publication List of the Author Acknowledgments Declaration of Authorship

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 5 2.1 Supraleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Wachstum dünner Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3 Methoden der Gitterverspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 Dynamische Gitterverspannung von Dünnschichten . . . . . . . . . . . 13 2.4.1 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 Ferroelektrische Keramiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.3 PMN-28%PT als Dünnschicht Substrat . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4.4 Verknüpfung von epitaktischer Verspannung und Druck . . . . . 19 3 Experimentelles 21 3.1 Gepulste Laserdeposition - PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2 Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Hochenergetische Elektronenbeugung (RHEED) . . . . . . . . . 23 3.2.2 Atomkraftmikroskopie (AFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3 Röntgendiffraktometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.4 Elektrische Transportmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.1 Eigenschaften von (La,Sr)2CuO4 Dünnschichten . . . . . . . . . 33 3.3.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 35 3.3.3 LSCO Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.4.1 Eigenschaften von Ba(Fe,Co)2As2 Dünnschichten . . . . . . . . 44 3.4.2 Epitaktisches Wachstum auf Einkristallen . . . . . . . . . . . . 47 3.4.3 Ba122 Dünnschichten auf PMN-PT . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4 Ergebnisse und Diskussion 55 4.1 Dynamische Verspannung von supraleitenden Dünnschichten . . . . . . 55 4.1.1 Dehnungsübertrag in die Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1.2 LSCO Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1.3 Ba122 Dünnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Präparation von BaFe1;8Co0;2As2 auf flexiblen Substraten . . . . . . . . 96 4.2.1 Herstellung und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.2 Einfluss leitfähiger Barriereschichten . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.3 Kritische Stromdichte und Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . 109 III Inhaltsverzeichnis 4.2.4 Biegeversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literaturverzeichnis I Publikationsliste XXIII Danksagung XXV Erklärung der Urheberschaft XXVII

Magnetische Formgedächtnislegierungen sind Festkörper, die eine Phasenumwandlung erster Ordnung von einer hochsymmetrischen Phase (Austenit) zu einer niedersymmetrischen Phase (Martensit) durchlaufen. Dies kann in der Nähe von Raumtemperatur stattfinden und sowohl durch Temperaturänderung, als auch durch äußere Magnetfelder, mechanische Spannungen oder hydrostatischen Druck induziert werden. Daraus ergeben sich funktionale Eigenschaften, wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt, eine magnetfeldinduzierte Dehnung und ein großer Magnetowiderstand. Zwillingsgrenzen im Martensit können durch äußere Magnetfelder bewegt werden, was zu großen reversiblen Längenänderungen führt. Der Ablauf der Phasenumwandlung und das Gefüge des Martensits werden dabei durch die elastischen Randbedingungen an der Phasengrenze bestimmt. In dieser Arbeit werden deshalb die Nukleation und das Wachstum des Martensits untersucht. Als Modellsystem werden epitaktische Schichten der Heuslerlegierung Ni-Mn-Ga verwendet. In der martensitischen Phase weist diese Legierung eine modulierte Kristallstruktur auf, die im Konzept des adaptiven Martensits durch eine Verzwillingung auf der atomaren Skala interpretiert werden kann. Im ersten Teil wird mit Röntgenbeugung die modulierte Struktur untersucht. Die Intensität der Überstrukturreflexe wird mit einer kinematischen Beugungssimulation verglichen. Dabei wird nachgewiesen, dass es sich um ein nanoverzwillingtes Gefüge mit einer hohen Dichte an Stapelfehlern handelt. Im zweiten Teil wird das martensitische Gefüge mit Elektronenbeugung im Rasterelektronenmikroskop und Texturmessungen durch Röntgenbeugung untersucht. Das martensitische Gefüge kann im Rahmen der phänomenologischen Martensittheorie quantitativ erklärt werden. Daraus ergibt sich ein geometrisches Modell des martensitischen Nukleus und seiner Wachstumsstadien. Die Phasenumwandlung wird temperaturabhängig im Elektronen- und im Atomkraftmikroskop untersucht und mit dem geometrischen Modell verglichen. Die begrenzte Gültigkeit des geometrischen Modells an makroskopischen Zwillingsgrenzen und an der Grenzfläche zum Schichtsubstrat werden diskutiert. Schließlich kann die Bildung des gesamten hierarchischen Zwillingsgefüges erklärt werden. Im dritten Teil wird die Energiebarriere der Nukleation untersucht. Da die Umwandlung bei konstanter Temperatur abläuft, wird geschlussfolgert, dass Autonukleationsprozesse zu einer starken Verringerung der Nukleationsbarrieren führen. Schließlich wird gezeigt, dass durch Nanoindentation die Nukleation gezielt beeinflusst werden kann. / Magnetic shape memory alloys are solids that undergo a first order phase transition from a high symmetry phase (austenite) into a low symmetry phase (martensite). This can happen close to room temperature and can be induced by changes of temperature, external magnetic fields, mechanical stresses or hydrostatic pressure. This leads to functional properties like the magnetocaloric and elastocaloric effect, a magnetic-field-induced strain and giant magnetoresistance. Twin boundaries in the martensite can be moved by external magnetic fields, which leads to giant reversible length changes. The process of the phase transition and the microstructure of martensite are determined by the elastic boundary conditions at the phase interface. In this work, nucleation and growth of the martensite are studied. Epitaxial films of the Heusler alloy Ni-Mn-Ga are used as a model system. This alloy exhibits a modulated crystal structure which is interpreted as twinning on the atomic scale in the framework of adaptive martensite. In the first part, the modulated structure is studied by X-ray diffraction. The intensity of the superstructure is compared to a kinematic diffraction simulation and it is shown that it is a nanotwinned microstructure with a high density of stacking faults. In the seond part, the martensitic microstructure is studied by electron diffraction in the scanning electron microscope and by texture measurements using X-ray diffraction. The martensitic microstructure can be explained quantitatively in the framework of the phenomenological theory of martensite. This leads to a geometrical model of the martensitic nucleus and its growth stages. The phase transformation is studied as a function of temperature in the scanning electron microscope and atomic force microscope and is compared to the geometric model. The limits of the geometrical model at macroscopic twin boundaries and at interfaces to the substrate are discussed. Finally, the formation of the entire twin microstructure can be explained. In the third part, the energy barrier of nucleation is studied. The transformation is isothermal which leads to the conclusion that autonucleation processes decrease the nucleation barrier significantly. Finally, the influence of nanoindentation on the nucleation is shown.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung selektiver Si1-xCx-Prozesse, die eine mechanische Zugspannung im Kanal von NMOS-Transistoren erzeugen, und so durch eine gezielte Änderung der Bandstruktur die Elektronenbeweglichkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit der Bauteile erhöhen soll. In der vorliegenden Arbeit werden die wichtigsten Fragestellungen zum Wachstum der Si1-xCx-Schichten näher beleuchtet. Dabei werden zwei Methoden zum Wachstum der Schichten charakterisiert. Neben einem disilanbasierten UHV-CVD-Verfahren wird ein LP-CVD-Verfahren unter der Verwendung von Trisilan herangezogen. Für beide Prozessvarianten konnten mithilfe einer zyklischen Prozessführung selektive, undotierte und in-situ phosphordotierte Abscheidungen realisiert werden. Es wird gezeigt, dass die Disilanprozesse aufgrund ihrer geringen Wachstumsraten einen hohen Anteil interstitiellen Kohlenstoffs bedingen. Durch FT-IR-Analyse konnte belegt werden, dass sich während des Wachstums Siliziumkarbid-präzipitate bilden, die das epitaktische Wachstum nachhaltig schädigen können. Erweiterte man das Wachstum infolge der Zugabe von German zum ternären System Si1-x-yCxGey (y=0,05…0,07) wurde ein starker Anstieg der Wachstumsraten festgestellt. Die Aktivierungsenergie für das epitaktische Wachstum sinkt durch die Zugabe von German und der substitutionelle Kohlenstoffgehalt kann erhöht werden. Es wird gezeigt, dass German nicht nur für die Unterstützung des Ätzprozesses hilfreich ist, sondern im LP-CVD-Verfahren zur Unterstützung des HCl-basierten Ätzprozesses dienen kann. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Abscheidung und Charakterisierung in-situ phosphor-dotierter Schichten. Es wird nachgewiesen, dass Phosphor die Wachstumsrate erhöht und dass Phosphor und Kohlenstoff in Konkurrenz um substitutionelle Gitterplätze stehen. Phosphor ist außerdem auch die Spezies, für die die größte Anisotropie hinsichtlich des Einbaus auf Si(110) im Vergleich zu Si(001) beobachtet wurde: Je nach Prozessführung wird auf Si(110)-Ebenen nahezu doppelt so viel Phosphor eingebaut wie auf Si(001). Dieser Effekt ist insofern von großer Relevanz, als dass ein steigender Phosphoranteil auch die thermische Stabilität der Schichten herabsetzt. Die Relaxationsvorgänge basieren bei Si1-xCx-Schichten auf Platzwechselvorgängen substitutioneller Kohlenstoffatome zu interstitiellen Silizium-Kohlenstoff-Hanteldefekten unter der Bildung einer Leerstelle. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, nach dem Phosphor durch die Entstehung von PV-Komplexen diese Reaktion begünstigt, wodurch die Relaxationsvorgänge beschleunigt werden. Infolge einer dreidimensionalen Atomsondenanalyse kann der Endzustand der Relaxation – die Bildung stöchiometrischen Siliziumkarbids – belegt werden. In-situ phosphordotierte Si1-xCx-Schichten mit ca. 4*1020 at/cm³ Phosphorgehalt und 1,8 at.% Kohlenstoff wurden erfolgreich in NMOS-Transistoren der 45 nm Generation integriert und mit ebenfalls im Rahmen der Dissertation entwickelten Si:P-Rezepten verglichen. Die höchste Leistungssteigerung von 10 % konnte durch die Kombination aus beiden Prozessen erzielt werden, bei dem auf die spannungserzeugende Si1-xCx-Schicht zur Senkung des Silizidwiderstandes eine Si:P-Kappe aufgebracht wird. Die Einprägung einer Zugspannung in den Transistorkanal wurde mittels Nano beam diffraction nachgewiesen und wurde auf Basis des piezoresistiven Modells mit SiGe-PMOS-Transistoren verglichen.

Spin resonance of a two-dimensional electron system confined in a GaN/AlGaN heterostructure grown by molecular beam epitaxy was resistively detected over a wide range of magnetic field and microwave frequency. Although the spin-orbit interaction is strong in this type of heterostructure at zero magnetic field, surprisingly the width of the detected spin resonance line was very narrow—down to 6.5 mT at 13.3 T. The spin depolarization time extracted from the resonance linewidth was estimated to be 2 ns. The electron g-factor was measured with high accuracy, resembling a value close to the free-electron value and its dependence on the magnetic field was studied.

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Heteroepitaxial SiGeC layers have attracted immenseattention as a material for high frequency devices duringrecent years. The unique properties of integrating carbon inSiGe are the additional freedom for strain and bandgapengineering as well as allowing more aggressive device designdue to the potential for increased thermal budget duringprocessing. This work presents different issues on epitaxialgrowth, defect density, dopant incorporation and electricalproperties of SiGeC epitaxial layers, intended for variousdevice applications. Non-selective and selective epitaxial growth of Si1-x-yGexCy(0≤x≤30, ≤y≤0.02) layershave been optimized by using high-resolution x-ray reciprocallattice mapping. The incorporation of carbon into the SiGematrix was shown to be strongly sensitive to the growthparameters. As a consequence, a much smaller epitaxial processwindow compared to SiGe epitaxy was obtained. Differentsolutions to decrease the substrate pattern dependency (loadingeffect) of SiGeC growth have also been proposed. The key pointin these methods is based on reduction of surface migration ofthe adsorbed species on the oxide. In non-selective epitaxy,this was achieved by introducing a thin silicon polycrystallineseed layer on the oxide. The thickness of this seed layer had acrucial role on both the global and local loading effect, andon the epitaxial quality. Meanwhile, in selective epitaxy,polycrystalline stripes introduced around the oxide openingsact as migration barriers and reduce the loading effecteffectively. Chemical mechanical polishing (CMP) was performedto remove the polycrystalline stripes on the oxide. Incorporation and electrical properties of boron-doped Si1-x-yGexCylayers (x=0.23 and 0.28 with y=0 and 0.005) with aboron concentration in the range of 3x1018-1x1021atoms/cm3 have also been investigated. In SiGeClayers, the active boron concentration was obtained from thestrain compensation. It was also found that the boron atomshave a tendency to locate at substitutional sites morepreferentially compared to carbon. These findings led to anestimation of the Hall scattering factor of the SiGeC layers,which showed good agreement with theoretical calculations. Keywords:Silicon germanium carbon (SiGeC), Epitaxy,Chemical vapor deposition (CVD), Loading effect, Highresolution x-ray diffraction (HRXRD), Hall measurements, Atomicforce microscopy (AFM).

Three-dimensional topological insulators (TIs) are a class of materials for which the bulk is insulating, while the surface is necessarily metallic. A band inversion that occurs in the presence of spin-orbit coupling, and conduction and valence bands with opposite parities are necessary conditions for the existence of this class of materials. The metallicity of the surface states appears as a consequence of the topology of the bulk and these states are characterized by massless Dirac dispersions and helical spin polarization that protect the surface states against backscattering. The robustness of the topological surface states further implies that they are not destroyed by non-magnetic impurities or defects. Since their initial conception, a vast amount of theoretical studies have predicted very interesting features stemming from the topological surface states. An example of that can be found when breaking the time-reversal symmetry by introducing magnetic order in the system, which can lead to exotic phenomena such as the quantum anomalous Hall effect. The properties exhibited by these systems are expected to be of high importance both in fundamental research as well as in technological applications. However, the major difficulty remains the access to purely topological surface states. The remaining bulk conductivity of the TIs such as Bi2Se3, Bi2Te3 or Sb2Te3 still hinders the experimental realization of some of the predicted phenomena. This highlights the need of high-quality bulk-insulating materials with ultra-clean surfaces and interfaces, which can only be achieved with delicate sample preparation and characterization methods. The present work is part of the effort to fabricate high-quality TI films in a controlled manner. This shall then allow more complex investigations, such as interface effects and possibilities to engineer the band structure of the TIs. The former will be explored mainly in the form of heterostructures of Bi2Te3 and magnetic insulating layers, whereas the latter will focus on the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures. Most of the important properties of the samples are measured under ultra-high vacuum conditions, ensuring reliable results. Furthermore, in situ capping with ordered Te also allows for more sophisticated ex situ experiments. In a first step, the optimization of Bi2Te3 thin films grown on Al2O3 (0001) substrates was explored. Spectroscopic and structural characterization measurements showed that it is possible to obtain consistently bulk-insulating TI films with good structural quality, despite the lattice mismatch between Bi2Te3 and Al2O3 (0001). Magnetoconductance measurements showed a prominent weak anti-localization effect, confirming the existence of two-dimensional surface states. In order to explore the consequences of breaking the time-reversal symmetry characteristic of TIs, Bi2Te3 was interfaced with several ferro- or ferrimagnetic insulating (FI) layers in heterostructures. EuO, Fe3O4, Y3Fe5O12 and Tm3Fe5O12 were chosen as possible candidates. Systematic optimization and characterization studies showed that interfaces of Bi2Te3 and EuO, as well as Fe3O4 on top of Bi2Te3, yield poor quality samples with significant chemical reactions between the layers. Nevertheless, high-quality Bi2Te3 could be grown on Fe3O4 (001), Fe3O4 (111), Y3Fe5O12 (111) and Tm3Fe5O12 (111). Clean interfaces and intact top topological surface states were confirmed by photoemission spectroscopy. Moreover, transport signatures of a gap opening in the topological surface states were found, namely a suppression of the weak anti-localization effect and the observation of the anomalous Hall effect. However, x-ray circular magnetic dichroism (XMCD) was not observed for any of the heterostructures. A key conclusion from this study is that the ferromagnetism induced by the magnetic proximity effect is too weak to be detected by XMCD. On hindsight, one can infer that the magnetic proximity effect cannot be strong since the bonding between the TI and the magnetic insulator substrate is of the van der Waals type, and not covalent like in transition metal oxides or metallic heterostructures. It is known that a charge compensation between electron- and hole-doping can be achieved when combining Bi2Te3 and Sb2Te3, which can also tune the position of the Dirac point. With this goal in mind, the fabrication of ternary (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 compounds and Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures was explored in the next step. Although pure Sb2Te3 and (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 did not yield good quality samples, the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures emerged as a promising alternative route. Photoelectron spectroscopy allowed not only to identify the crucial role of the first few Sb2Te3 top layers, which modulate the topological surface states, but also to characterize the intermixing of the TI layers at the interface. In a final study, Fe(1+y)Te thin films were grown on MgO (001) substrates employing a Te-limited growth method. This allowed to obtain nominally stoichiometric films, as evidenced by reflection high-energy electron diffraction, x-ray absorption spectroscopy, XMCD and x-ray diffraction measurements. This preliminary study opens the way for the investigation of TI/superconductor interfaces and to delve into the topological superconductivity arising from the proximity effect.