Shadow Mask assisted Molecular Beam Epitaxy (SMMBE) is a technique enabling selected area epitaxy of semiconductor heterostructures through shadow masks. The objective of this work was the development of the SMMBE technique for the reliable fabrication of compound semiconductor nanostructures of high structural and optical quality. In order to accomplish this, technological processes have been developed and optimized. This, in combination with model calculations of the basic kinetic growth processes has enabled the fabrication of high quality quantum structures. A high spatial precision and control of the incidence regions of the molecular beams during the SMMBE process are required for the fabrication of nanostructures. One of the technological developments to this effect, which has substantially enhanced the versatility of SMMBE, is the introduction of a new type of freestanding shadow masks: Growth through such a mask with different incidence angles of the molecular beams is equivalent to employing different mechanical masks, but is much more accurate since the precision of mechanical alignment is limited. A consistent model has been developed, which successfully explains the growth dynamics of molecular beam epitaxy through shadow masks. The redistribution of molecular fluxes under shadow masks may affect the growth rates on selected areas of the substrate drastically. In the case of compound semiconductors, reactions between the constituent species play important roles in controlling the growth rates as a function of the growth parameters. The predictions of the model regarding the growth of II-VI and III-V compounds have been tested experimentally and the dependence of the growth rates on the growth parameters has been verified. Moreover, it has been shown, that selected area epitaxy of II-VI and III-V compounds are governed by different surface kinetics. Coexisting secondary fluxes of both constituent species and the apparent non-existence of surface diffusion are characteristic for SMMBE of II-VI compounds. In contrast, III-V SMMBE is governed by the interplay between secondary group-V flux and the surface migration of group-III adatoms. In addition to the basic surface kinetic processes described by the model, the roles of orientation and strain-dependent growth dynamics, partial shadow, and material deposition on the mask (closure of apertures) have been discussed. The resulting advanced understanding of the growth dynamics (model and basic experiments) in combination with the implementation of technical improvements has enabled the development and application of a number of different processes for the fabrication of both II-VI and III-V nanostructures. In addition to specific material properties, various other phenomena have been exploited, e.g., self-organization. It has been shown that, e.g., single quantum dots and quantum wires can be reliably grown. Investigations performed on the SMMBE nanostructures have demonstrated the high positional and dimensional precision of the SMMBE technique. Bright cathodoluminescence demonstrates that the resulting quantum structures are of high structural and optical quality. In addition to these results, which demonstrate SMMBE as a prospective nanofabrication technique, the limitations of the method have also been discussed, and various approaches to overcome them have been suggested. Moreover, propositions for the fabrication of complex quantum devices by the multiple application of a stationary shadow mask have been put forward. In addition to selected area growth, the shadow masks can assist in etching, doping, and in situ contact definition in nanoscale selected areas. Due to the high precision and control over the dimensions and positions of the grown structures, which at the same time are of excellent chemical, crystal, and optical quality, SMMBE provides an interesting perspective for the fabrication of complex quantum devices from II-VI and III-V semiconductors. / Die Schattenmasken-gestützte Molekularstrahlepitaxie (SMMBE) ist eine neue Methode welche die ortsselektive Epitaxie von Halbleiterheterostrukturen mittels stationärer Schattenmasken ermöglicht. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung der SMMBE-Methode für die gezielte Herstellung von Nanostrukturen hoher Güte aus Verbindungshalbleiter. Dazu wurden technologische Prozesse entwickelt und optimiert, Modellrechnungen für die grundlegenden kinetischen Wachstumsprozesse in Schattenmasken entwickelt und darauf aufbauend Quantenstrukturen hergestellt und untersucht. Eine hohe Ortsauflösung und flexible Kontrolle der Einfallsgebiete der Molekularstrahlen während des SMMBE-Wachstums sind notwendige Voraussetzungen für die Herstellung von Nanostrukturen. Einer der technologischen Fortschritte, der zu einer erheblich höheren Flexibilität der SMMBE-Methode führte, ist der Einsatz neuartiger, freistehender Schattenmasken: Die Epitaxie durch solche Masken unter verschiedenen Einfallswinkeln der Molekularstrahlen ist vergleichbar mit der Verwendung mehrerer mechanischer Masken, ermöglicht jedoch eine weit höhere Ortsauflösung und Präzision. Im Rahmen der Arbeit wurde ein konsistentes Modell entwickelt, welches die grundlegenden kinetischen Wachstumsprozesse unter der Schattenmaske beschreibt. Adsorbierte Atome und Moleküle werden durch Diffusion und Desorption innerhalb der Maskenkavität umverteilt, wodurch sich die lokalen Wachstumsraten drastisch ändern können. Beim Wachstum von Verbindungshalbleiter spielen die Reaktionen zwischen den einzelnen Konstituenten eine entscheidende Rolle und beeinflussen die Wachstumsraten abhängig von den Wachstumsbedingungen. Die Vorhersagen des Modells in Bezug auf das Wachstum von II-VI und III-V Verbindungshalbleiter wurden in grundlegenden Experimenten verifiziert und die Abhängigkeit der Wachstumsraten von den Wachstumsbedingungen bestätigt. Darüber hinaus konnte ein grundsätzlicher Unterschied in der Wachstumsdynamik der beiden Materialsysteme nachgewiesen werden. Charakteristisch für das SMMBE-Wachstum von II-VI Verbindungen ist die Koexistenz von Sekundärflüssen beider Konstituenten und eine vernachlässigbare Diffusionsdynamik. Hingegen ist die vom Gruppe-V-Gesamtfluss abhängige Oberflächendiffusion entscheidend für das Wachstum von III-V Strukturen. Über diese vom Modell beschriebenen grundlegenden Wachstumsprozesse hinaus wurde zusätzlich auch auf orientierungs- und verspannungsabhängige Prozesse, Halbschatteneffekte und das Zuwachsen der Maskenöffnungen eingegangen. Basierend auf diesen Ergebnissen der Modellrechnungen, den Experimenten und den technologischen Fortschritten wurden verschiedene neuartige Methoden zur Herstellung von II-VI und III-V Nanostrukturen entwickelt. Diese ermöglichen zum Beispiel Quantendrähte und Einzelquantenpunkte gezielt mit Schattenmasken zu wachsen. Dabei werden verschiedene Verfahren angewandt, die neben der materialspezifischen Wachstumsdynamik auch z.B. Selbstorganisationseffekte ausnutzen. Untersuchungen an SMMBE-Nanostrukturen demonstrierten die sehr hohe Positions- und Dimensionspräzision der SMMBE-Methode und eine hohe strukturelle und optische Qualität der hergestellten Quantenstrukturen, die sich z.B. in intensiver Kathodolumineszenz widerspiegelt. Diese Ergebnisse weisen SMMBE als vielversprechende Methode zur Herstellung von Nanostrukturen aus. Es werden aber auch die Grenzen des Verfahrens diskutiert und verschiedene Ansätze zu deren Überwindung vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde das Potenzial der SMMBE-Technik dahingehend diskutiert, komplexe Quantenstrukturen durch mehrfache Anwendung einer stationären Schattenmaske herzustellen. Zusätzlich zum ortselektiven Wachstum kann die Schattenmaske auch zum lokalen Ätzen und Dotieren und zur in-situ-Kontaktierung ausgewählter Gebiete genutzt werden. Mit der Vielfalt der in dieser Arbeit entwickelten und vorgeschlagenen SMMBE Methoden, der präzisen Kontrolle der Strukturdimensionen und –positionen und der hohen Güte der hergestellten Quantenstrukturen bietet SMMBE eine interessante Perspektive für die Herstellung von komplexen quantenelektronischen Bauelementen aus II-VI und III-V Halbleiter.

Warum eigentlich Schattenmasken als neues alternatives Verfahren zur lateralen Strukturierung? Alle bislang üblichen Verfahren zur Herstellung lateral begrenzter Halbleiter-Kristalle strukturieren die zuvor epitaktisch flächig aufgewachsenen Schichten nachträglich. Hierdurch können Probleme entstehen. Etwa erzeugen nach einem nasschemischen Ätzprozess freistehende Quantentröge im Randbereich Oberflächenzustände, die zu nicht strahlender Rekombination führen können und daher die Lichtausbeute reduzieren. Der Prozess des erneuten Überwachsens solcher nachträglich geätzter Strukturen ist bislang noch nicht reproduzierbar. Weitere alternative Techniken, wie das Wachstum selbstorganisierter Quantenpunkte oder das it in-situ Spalten, bieten entweder noch keine befriedigende Kontrollmöglichkeit der Strukturgröße oder sind für eine industrielle Anwendung nur wenig praktikabel. Deshalb richtete sich der Blick auf das aus der III-V-Epitaxie bekannte Schattenmasken-Verfahren zur Herstellung makroskopischer sogenannter ,,nipi-Strukturen''. Diese zeigen den interessanten Effekt, dass sich die durch eine Schattenmaske wachsende Struktur in Wachstumsrichtung während des Wachstums von selbst zuspitzt. Die Größe der Masken-Apertur kann dadurch in einer Größenordnung bleiben, wie sie durch ein ultra-violett optisch lithographisches Verfahren hergestellt werden kann. Durch die Maske wächst dennoch, unterstützt von Schatten- und Selbstorganisationseffekten, ein Halbleiter-Kristall, der an seiner Spitze die Ausdehnung einer Nanostruktur hat. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmals mittels der Schattenmaskentechnologie eine ZnSe-Draht-Struktur herzustellen, deren Ausdehnung an der Spitze nur noch 25~nm beträgt. Da dieses Verfahren erstmals zur Herstellung von II-VI-Halbleiter-Schichten etabliert wurde, konnte auf keinerlei Vorarbeiten zurückgegriffen werden. Vor der Herstellung geeigneter Schattenmasken mussten zunächst geeignete Belichtungs-Masken für die optische Lithographie entworfen werden, bevor die Ätztechniken zur Herstellung der Schattenmasken selbst optimiert werden konnten. Am Ende der Schattenmaskenentwicklung stand ein Verfahren zur Präparation einer verlässlichen Startoberfläche für die anschließende II-VI-Epitaxie, ohne die ein reproduzierbares Wachstum durch die Schattenmaske nicht möglich ist. Nachdem die technologische Seite abgearbeitet war, mussten anhand geeigneter Epitaxieexperimente die Einflüsse durch die geänderten Wachstumsbedingungen erforscht werden. Insbesondere spielen beim Wachstum durch Schattenmasken Oberflächeneffekte wie Diffusion oder die Orientierung der Masken-Apertur bzgl. der Kristallrichtung eine wesentliche Rolle. Für die in dieser Arbeit verwendete Geometrie des Wachstums (Gruppe-II- und Gruppe-VI-Spezies werden aus bzgl. der Masken-Apertur spiegelbildlichen Raumwinkelbereichen angeboten) wurde herausgefunden, dass die Maskenöffnung entlang der [1-10]-Kristallrichtung orientiert sein sollte. Entlang dieser Richtung sind die Se-Dimere einer Se-reich rekonstruierten Oberfläche orientiert und somit verläuft die Vorzugsdiffusionsrichtung senkrecht zum Draht. Hierdurch können diffusionsgestützt schärfer definierte Flanken des Drahtes wachsen, als bei einer um 90° gedrehten Geometrie. Eigentlich soll nicht nur eine binäre Drahtstruktur entstehen, sondern es soll zum Beispiel ein ZnCdSe-Quantentrog in einen Draht aus einem geeigneten Barriere-Material eingebettet werden. Bei diesen Versuchen stellte sich anhand von Tieftemperatur-PL- und charakteristischen Röntgenphotonen-Spektren heraus, dass Cadmium in einem epitaktisch gewachsenen Draht stärker als andere Spezies auf der Wachstumsoberfläche diffundiert. Eine kontrollierte Deposition eines ZnCdSe-Quantentroges ist nicht möglich. Um Diffusionseffekte zu vermeiden kann statt eines ternären Troges ein binärer in eine nun quaternäre Barriere eingebettet werden. Dieser Ansatz wird bereits in einer parallel zu dieser Arbeit begonnenen Dissertation erfolgreich verfolgt. Bei der Etablierung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiter-Kristallen müssen auch Aussagen über die strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Strukturen getroffen werden. Hierzu wurden die mittels eines ,,Lift-Off''-Prozesses nun freistehenden Drahtstrukturen einer Röntgenstrukturanalyse unterzogen. Die reziproken Gitterkarten zeigen bei senkrechter Orientierung der Beugungsebene relativ zum Draht, dass der Schichtreflex nicht auf der Relaxationsgeraden liegt. Bei einer rein plastischen Relaxation eines Halbleiter-Kristalls müsste dies jedoch für beide Orientierungen der Beugungsebene (senkrecht und parallel zum Draht) der Fall sein. Der Schichtreflex ist in Richtung des Substratreflexes verschoben. Der Netzebenenabstand ist somit also verkleinert. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die zylinderförmige ,,Verbiegung'' der Atomebenen im Realraum und somit der Netzebenen im reziproken Raum. Die Überlegungen führen somit auf eine zusätzlich elastische anstelle auschließlich plastischen Relaxation des Kristalls. Um eine solche These erhärten zu können wurde auf der Basis der aus den REM- und AFM-Bildern ausgewerteten Geometrie der Drahtstrukturen ein atomares Modell eines verspannten Kristalls erstellt. Mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus' kann dieses Modell seine eingeprägte Verspannungsenergie elastisch abbauen. Die Fouriertransformierte des Realraumbildes des elastisch relaxierten Drahtes lässt sich direkt mit den reziproken Gitterkarten vergleichen. Mittels dieser Simulation konnte die vertikale Verschiebung des Schichtreflexes unmittelbar den zylindrisch ,,verbogenen'' Kristallebenen zugeordnet werden. Ferner ermöglichen die Simulationen erstmalig die qualitative Interpretation der Beugungsmessungen an den Schattenmasken selbst. Die im Rahmen der Dissertation von H.R.~Ress vorgenommenen Beugungsmessungen an den Schattenmasken zeigen neben der vertikalen Verschiebung des AlGaAs-Schichtreflexes charakteristische diffuse Streifen um den Schichtreflex, die bislang unverstanden waren. Die Simulationen zeigen, dass diese Streifen erst bei der elastischen Relaxation des Drahtes durch die konvexe Wölbung der Drahtflanke entstehen. Diese diffusen Streifen lassen sich in den in dieser Arbeit gewachsenen Drähten aus II-VI-Halbleitern nicht unmittelbar nachweisen. Da die Schattenmasken bedingt durch das Herstellungsverfahren eine Rauigkeit der Schattenkanten von bis zu 150~nm aufweisen sind auch die Flanken der durch die Masken gewachsenen Strukturen stark aufgeraut. Deshalb streuen die den Draht begrenzenden Fassetten nicht kohärent und bieten entsprechend keine definierte Abbruchbedingung der Fouriertransformation. / What is the motivation for the establishment of an alternative technique for lateral structuring? Till date, for definition of semiconductor nano structures, the established technology relies on the post-growth, ex-situ structuring of layer samples. The processes involved in this technology may cause a number of problems. For instance, wet chemical etching of quantum wires generate surface states which result in non radiative recombination of carriers and hence reduce the optical efficiency. Secondly, the process of overgrowth of such etched structures is not well controlled so far. Further alternative techniques like self organised growth of quantum dots or in-situ cleaved edge overgrowth either do not provide a satisfying size control or are too laborious for them to be industrially practicable. Thus, efforts were directed towards the use of shadow mask technique, a process well established for the fabrication of III-V n-i-p-i structures. These structures exhibit the interesting effect of an acuminating crystal during growth. A standard optical lithography process which achieves mask apertures down to 300~nm is sufficient: Driven by the effect of shadow and self organisation, the structure growing within the growth cavity has nano scale dimension at its tip. In the course of the work we succeeded, for the first time, to fabricate a ZnSe wire structure with a tip width of only 25nm. Since this technique was applied to the II-VI semiconductors for the first time, no relevant literature was available for the the preparatory work. Prior to the fabrication of suitable shadow masks, it is required to (a) design lithographic masks and (b) establish appropriate etching procedures. Additionally, the procedure requires the preparation of a reliable III-V surface for the subsequent II-VI growth. After successful implementation of the techniques, suitable experiments were developed which enabled the investigation of the growth conditions for the growth within a growth cavity. In particular, surface effects, like diffusion or the orientation of the mask aperture with respect to the symmetry directions of the crystal, play an considerable role. For the samples dicussed in this work, an alignment of the effusion cells was performed such that, group II and VI molecular beams impinged on the substrate at equal incident angles with respect to the surface normal. In this geometry, it was found that the highest lateral precision is achieved with mask apertures parallel to the [1-10] crystal direction. The selenium dimers are oriented along this direction and hence the main diffusion occures perpendicular to the wire. Hence the edges of the forming wire are more pronounced in this orientation. Originally, not only binary but also ternary quantum structures, for instance ZnCdSe quantum wells embedded into ZnSe barriers, were planned. Low temperature PL and EDAX experiments revealed that the cadmium diffusion coefficient is much larger than those of zinc and selenium. Therefore, a homogeneous cadmium distribution inside the ternary quantum well alloy, could not be achieved. To overcome this problem of segregation, a binary well can be embedded within a quaternary barrier. This approach was successfully pursued in a parallel endeavour. When a novel technique for fabrication of semiconductor structures is established, it is indespensable to provide evidence of high structural quality of the grown crystals. Therefore, the free standing wire structures were probed by high resolution x-ray diffraction analysis after the removal of the mask (lift-off process). The reciprocal space maps acquired in these experiments exhibit that the layer reflection does not lie on the line of relaxation only when the plane of diffraction is aligned perpendicular to the wire. Considering only plastic relaxation of the lattice, a deviation from the line of relaxation should occur for neither parallel nor perpendicular orientation. The layer reflection has moved towards the substrate reflection. The distance of lattice planes has therefore decreased. One possible explanation for this is a cylindrically shaped ''bending'' of atom planes in real space and consequentially of the lattice planes in reciprocal space. In conclusion, an additional elastic, instead of solely plastic relaxation, of the crystal has to be considered. To substantiate such a thesis, an atomic model was developed. The geometry of the modelled wire structures was choosen, based on the SEM and AFM images. The strain incorporated into the modelled crystal was relaxed by means of a Monte Carlo algorithm. The fourier transform of the real space image is related to the reciprocal space map directly. Based one this simulations, the vertically displacement of the layer reflection can be attributed to cylindrically bending of the lattice planes. Furthermore, these simulations enabled a qualitative interpretation of the diffractograms of the shadow masks themselves. In the course of this work, diffraction measurements were carried out on the III-V shadow masks by H.R. Ress. Apart from the vertical displacement of the AlGaAs layer reflection they were found to exhibit a characteristic cross-shaped diffuse reflection surrounding the layer reflection. This effect was not understood until now. The simulations clarified these features as due to a convex curvature of the wire's edges. Due to the low scattering volume of the II-VI wire structures fabricated in this work, these diffuse intensity is not observeable. Additionally, the fabrication technique itself brings in a roughness of the mask's shadow edges of roughly 150~nm, which in turn affects the roughness of wire structure. Hence the bounding facets of the wire do not scatter coherently and hence no defined termination condiction of the fourier transform is defined.