Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss.

Konstanz, Univ., Diplomarb., 2007.

Tübingen, Univ., Diss., 2001.

Konstanz, Univ., Diplomarb., 2002.

Universiẗat, Diss., 1994--Konstanz.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Within the scope of this thesis, spin related transport phenomena have been investigated in HgTe/HgCdTe quantum well structures. This material exhibits peculiar band structure properties, which result in a strong spin-orbit interaction of the Rashba type. An inverted band structure, i.e., a reversed ordering of the energy states in comparison to common semiconductors, is obtained for quantum well layers above a critical thickness. Furthermore, the band structure properties can be controlled in the experiments by moderate gate voltages. Most prominently, the type of carriers in HgTe quantum wells can be changed from n to p due to the narrow energy gap. Along with the inverted band structure, this unique transition is the basis for the demonstration of the Quantum Spin Hall state, which is characterized by the existence of two one-dimensional spin-polarized edge states propagating in opposite directions, while the Fermi level in the bulk is in the energy gap. Since elastic scattering is suppressed by time reversal symmetry, a quantized conductance for charge and spin transport is predicted. Our experiments provide the first experimental demonstration of the QSH state. For samples with characteristic dimensions below the inelastic mean free path, charge conductance close to the expected value of 2e^2/h has been observed. Strong indication for the edge state transport was found in the experiments as well. For large samples, potential fluctuations lead to the appearance of local n-conducting regions which are considered to be the dominant source of backscattering. When time reversal symmetry is broken in a magnetic field, elastic scattering becomes possible and conductance is significantly suppressed. The suppression relies on a dominant orbital effect in a perpendicular field and a smaller Zeeman-like effect present for any field direction. For large perpendicular fields, a re-entrant quantum Hall state appears. This unique property is directly related to the non-trivial QSH insulator state. While clear evidence for the properties of charge transport was provided, the spin properties could not be addressed. This might be the goal of future experiments. In another set of experiments, the intrinsic spin Hall effect was studied. Its investigation was motivated by the possibility to create and to detect pure spin currents and spin accumulation. A non-local charging attributed to the SHE has been observed in a p-type H-shaped structure with large SO interaction, providing the first purely electrical demonstration of the SHE in a semiconductor system. A possibly more direct way to study the spin Hall effects opens up when the spin properties of the QSH edge states are taken into account. Then, the QSH edge states can be used either as an injector or a detector of spin polarization, depending on the actual configuration of the device. The experimental results indicate the existence of both intrinsic SHE and the inverse SHE independently of each other. If a spin-polarized current is injected from the QSH states into a region with Rashba SO interaction, the precession of the spin can been observed via the SHE. Both the spin injection and precession might be used for the realization of a spin-FET similar to the one proposed by Datta and Das. Another approach for the realization of a spin-based FET relies on a spin-interference device, in which the transmission is controlled via the Aharonov-Casher phase and the Berry phase, both due to the SO interaction. In the presented experiments, ring structures with tuneable SO coupling were studied. A complex interference pattern is observed as a function of external magnetic field and gate voltage. The dependence on the Rashba splitting is attributed to the Aharonov-Casher phase, whereas effects due to the Berry phase remain unresolved. This interpretation is confirmed by theoretical calculations, where multi-channel transport through the device has been assumed in agreement with the experimental results. Thus, our experiments provide the first direct observation of the AC effect in semiconductor structures. In conclusion, HgTe quantum well structures have proven to be an excellent template for studying spin-related transport phenomena: The QSHE relies on the peculiar band structure of the material and the existence of both the SHE and the AC effect is a consequence of the substantial spin-orbit interaction. While convincing results have been obtained for the various effects, several questions can not be fully answered yet. Some of them may be addressed by more extensive studies on devices already available. Other issues, however, ask, e.g., for further advances in sample fabrication or new approaches by different measurements techniques. Thus, future experiments may provide new, compelling insights for both the effects discussed in this thesis and, more generally, other spin-orbit related transport properties. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden spin-bezogene Transportphänomene in HgTe/HgCdTe-Quantentrogstrukturen untersucht. Dieses Materialsystem weist besondere Bandstruktureigenschaften auf, die u.a. zu einer starken Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung führen. Eine invertierte Bandstruktur, d.h. eine umgekehrte Anordnung der energetischen Zustände im Vergleich zu üblichen Halbleitern, ergibt sich für Quantentrogschichten oberhalb einer kritischen Dicke. Darüber hinaus können die Bandstruktur-Eigenschaften im Experiment mittels moderater Gatespannungen kontrolliert werden. Hervorzuheben ist, dass die Art der Ladungsträger im HgTe-Quantentrog aufgrund der geringen Bandlücke von n- nach p-Typ geändert werden kann. Dieser einzigartige Übergang bildet zusammen mit der invertierten Bandstruktur die Grundlage für den Nachweis der Quanten-Spin-Hall-Zustands, bei dem sich zwei eindimensionale spinpolarisierte Randkanäle in entgegen gesetzte Richtung ausbreiten, während die Fermi-Energie im Probeninneren in der Bandlücke liegt. Da elastische Streuprozesse aufgrund der Zeitumkehr-Invarianz verboten sind, ist der Leitwert für Ladungs- und Spintransport quantisiert. Unsere Messungen liefern den ersten experimentellen Nachweis des QSH-Zustands. Für Proben mit charakteristischen Abmessungen unterhalb der inelastischen freien Weglänge wurde ein Leitwert nahe des theoretisch erwarteten Wertes von 2e^2/h beobachtet. Die Experimente lieferten außerdem deutliche Anzeichen für den Randkanaltransport. In größeren Proben verursachen Potenzialfluktuationen lokale n-leitende Bereiche, die als Hauptursache für Rückstreuung angesehen werden können. Wird die Zeitumkehr-Invarianz im Magnetfeld gebrochen, können elastische Streuprozesse auftreten und der Leitwert sinkt deutlich. Die Ursache dafür sind ein dominanter orbitaler Effekt für senkrechte Felder sowie ein schwächerer Zeeman-ähnlicher Effekt für beliebige Feldrichtungen. Bei starken senkrechten Feldern kommt es zu einem Wieder-Eintritt in den Quanten-Hall-Zustands, was direkt mit dem nicht-trivialen isolierenden Zustand des QSH-Effekts verknüpft ist. Während die Messungen einige Eigenschaften des Ladungstransports deutlich belegen, können die Spineigenschaften nicht untersucht werden. Dies kann jedoch ein Ziel zukünftiger Messungen sein. Außerdem wurde der intrinsische Spin-Hall-Effekt untersucht, um die Erzeugung von Spinungleichgewichten und reinen Spinströmen nachzuweisen. Eine nicht-lokale Spannung, die auf den SHE zurückzuführen ist, wurde in einer p-leitenden H-förmigen Struktur beobachtet und liefert somit den ersten rein elektrischen Nachweis des SHE in einem Halbleiter-System. Ein direkterer Weg zur Untersuchung von Spin-Hall-Effekten ergibt sich, wenn die Spinpolarisation der QSH-Randkanäle berücksichtigt wird. Dabei können die QSH-Kanäle - abhängig von der Probenkonfiguration - eine Spinpolarisation wahlweise injizieren oder detektieren. Die experimentellen Ergebnisse weisen unabhängig voneinander den intrinsischen SHE und den inversen SHE nach. Wenn durch die QSH-Kanäle ein spin-polarisierter Strom in ein Gebiet mit Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung injiziert wird, kann die resultierende Spinpräzession mittels des SHE beobachtet werden. Sowohl die Spininjektion als auch die Präzession können zur Umsetzung eines Spin-FETs verwendet werden, wie er von Datta und Das vorgeschlagen wurde. Eine andere Herangehensweise zur Realisierung eines spin-basierten FETs beruht auf einem Spin-Interferenz-Bauteil, in dem die Transmission über Spin-Bahn-abhängige Phasen - die Aharonov-Casher-Phase und die Berry-Phase - gesteuert wird. Bei der Untersuchung von Ringstrukturen mit variabler Spin-Bahn-Wechselwirkung zeigt sich bei einer Variation des Magnetfeld und der Gate-Spannung ein komplexes Interferenzmuster. Die Abhängigkeit von der Rashba-Aufspaltung wird der Aharonov-Casher-Phase zugeschrieben, wohingegen Effekte aufgrund der Berry-Phase nicht nachgewiesen werden können. Diese Interpretation wird durch theoretische Berechnungen bestätigt, in denen Mehr-Kanal-Transport durch den Ring angenommen wurde. Somit liefern unsere Experimente den ersten direkten Nachweis des AC-Effektes in Halbleiterstrukturen. Insgesamt stellen die HgTe-Quantentröge ein als exzellentes System zur Untersuchung von spin-bezogenen Transportphänomenen dar: Der QSHE beruht auf der besonderen Bandstruktur; und sowohl der SHE als auch der AC-Effekt treten aufgrund der deutlichen Spin-Bahn-Wechselwirkung auf. Für alle Effekte wurden überzeugende Ergebnisse erzielt; allerdings konnten einige Fragen noch nicht vollständig beantwortet werden. Einige können möglicherweise mittels umfangreicherer Untersuchungen geklärt werden. Andere jedoch verlangen z.B. nach Fortschritten in der Probenherstellung oder anderen Untersuchungsmethoden. Daher können zukünftige Experimente weitere neue faszinierende Einblicke sowohl in die hier diskutierten Effekte als auch in andere Spin-Bahn-bezogene Transportphänomene bieten.

Micro-technology relies on a highly parallel fabrication of 2D electronic and/or microelectromechanical devices, where in most cases silicon wafers are used as substrates. In contrast 3D fabrication shows unique advantages, such as footprint reduction or the possibility to obtain additional functionalities. For example, in the case of a sensor, knowledge of the acceleration in all possible directions, the surrounding electric or magnetic field among other quantities can help to determine the exact position of an object in 3D space. To do that it is crucial to retrieve all components of a vector field, which requires at least one out of plane component. In other fields like integrated optics three dimensional structures can enhance the coupling efficiency with free space interactions. As such 3D micro-structures will be crucial for upcoming products and devices. A highly parallel fabrication is required to enable mass-adaption, self-assembly is an emerging technology that could deliver this purpose. Examples of 3D structures created by self-assembly include polyhedrons like cubes, pyramids or micro tubular structures such as tubes or spirals. Following a self assembly scheme, 3D devices would be created through the fabrication of standard 2D structures that are reshaped through a self-assembly step into a 3D object. In this thesis a novel dry release protocol was developed to roll-up strained nanomembranes from a silicon sacrificial layer employing dry fluorine chemistry. This way a wet release is totally circumvented thus preventing damage of the created structures due to turbulent flow or capillary forces. Additionally the developed process enabled the use of standard CMOS deposition and processing tools, leading to a high increase in yield and quality, with yields exceeding 99% for microtubes. Building on the developed technology various devices where fabricated, for example rolled-up micro capacitors at a wafer scale with an increased yield and a low spread of electrical characteristics. For the E12 industrial standard more than 90% of devices behaved within the required performance characteristics. Furthermore the yield and Q-factor of roll-up whispering gallery mode resonators was strongly improved, making it possible to self assemble 3D coupled photonic molecules, which showed a mode splitting exceeding the FSR, as well as hybrid supermodes at points of energy degeneracy.:Contents Bibliographic Record i List of Abbreviations vii List of Chemical Substances ix 1 Introduction 1 1.1 Microelectromechanical Systems 1 1.2 Strain Engineering 2 1.3 Rolled - Up Nanotechnology 3 1.4 Objective and Structure of the Thesis 5 2 Materials and Methods 9 2.1 Fabrication Techniques 9 2.1.1 Substrates 9 2.1.2 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 9 2.1.3 Dry Etching12 2.1.4 Deep Reactive Ion Etching 18 2.1.5 Atomic Layer Deposition 19 2.1.6 Lithography 20 2.2 Characterization Techniques 22 2.2.1 Strain Measurement 22 2.2.2 Ellipsometry 23 3 Dry Roll-Up of Strained Nanomembranes 25 3.1 Rolled - Up Nanotechnology 25 3.2 Fabrication 26 3.2.1 Release 29 3.3 Conclusions 33 4 Rolled-UpMicro Capacitors 35 4.1 Micro Capacitors 35 4.2 Fabrication 38 4.3 Characterization 39 4.4 Conclusion 41 5 Optical Micro-Cavities 43 5.1 Optical Micro Cavities 43 5.2 Theorectical Background 45 5.2.1 Quality - factor 49 5.2.2 FDTD 52 6 Optical Microtube Resonators 55 6.1 Optical Whispering Gallery Mode Microtube Resonators 55 6.2 Fabrication 57 6.3 Active Characterization 60 6.4 Conclusions 64 7 Photonic Molecules 65 7.1 Coupled Photonic Systems 65 7.2 Fabrication 68 7.3 Device Characterization 71 7.4 Multimode Waveguides 84 7.5 Conclusions 85 8 Conclusions and Outlook 87 8.1 Conclusions 87 8.2 Outlook 88 Bibliography 91 List of Figures 109 List of Tables 117 A Equipment 119 Cover Pages 121 Selbstständigkeitserklärung 123 Acknowledgements 125 List of Publications 127 List of Presentations 129 Curriculum Vitae 131