The present thesis deals with the fabrication, optimization of growth process and characterization of silicon based materials with molecular beam epitaxy. Two material systems are investigated in the course of this work: silicon/silicon suboxide multilayer structures and mono manganese silicide thin films. Mono manganese silicide (MnSi) is grown on Si(111) substrates with an hydrogen passivated surface, that is prepared by wet chemical processes. The growth start is performed by deposition of an amorphous Mn wetting layer that is subsequently annealed to form a MnSi seed layer on which the MnSi molecular beam epitaxy (MBE) is achieved. An amorphous or a crystalline Si cap layer is deposited onto the MnSi film to finalize the growth process and protect the sample from oxidation. With Raman spectroscopy it is shown that the crystalline cap layer is in fact single crystalline silicon. Results of x-ray diffraction and Raman spectroscopy confirm the growth of mono manganese silicide in contrast to other existing manganese silicide phases. In addition, in-plane and out-of-plane residual strain, and twinning of the MnSi thin film is detected with x-ray diffraction of symmetric and asymmetric reflections. Orientation between the Si substrate and the MnSi film is determined with the parallel lattice planes MnSi(210) and Si(511). Transport measurements show a T^2 dependence of the resistivity below 30K and metallic behavior above, a magneto resistance of 0.9% and an unusual memory like effect of the resistance for an in-plane magnetic field sweep measurement. Silicon/Silicon suboxide (SiOx) multilayer structures are grown on Si(100) by interrupting the Si growth and oxidizing the surface with molecular oxygen. During oxidation the RHEED pattern changes from the Si(2x1) reconstruction to an amorphous pattern. When silicon growth is resumed a spotty RHEED pattern emerges, indicating a rough, three dimensional surface. The rough surface can be smoothed out with Si growth at substrate temperatures between 600°C and 700°C. Measurements with transmission electron microscopy show that a silicon suboxide layer of about 1nm embedded in single crystalline silicon is formed with the procedure. Multilayer structures are achieved by repeating the oxidation procedure when the Si spacer layer has a smooth and flat surface. The oxygen content of the suboxide layers can be varied between 7.6% and 26.8%, as determined with secondary ion mass spectrometry and custom-built simulations models for the x-ray diffraction. Structural stability of the multilayer structures is investigated by x-ray diffraction before and after rapid thermal annealing. For temperatures up to 1000°C the multilayer structures show no modification of the SiOx layer in x-ray diffraction. / Die vorgelegte Arbeit handelt von der Herstellung siliziumbasierter Materialien mittels Molekularstrahlepitaxie, der Charakterisierung der Proben und der Optimierung der Wachstumsprozesse. Zwei Materialsysteme werden in dieser Arbeit behandelt: Silizium/Siliziumsuboxid Vielschichtstrukturen und dünne Schichten Mono-Mangansilizid. Mono-Mangansilizid (MnSi) wird auf Wasserstoff passivierten Si(111)-Substraten gewachsen. Für den Wachstumsstart wird eine amorphe Schicht Mangan auf den Si-Wafer abgeschieden und anschließend getempert. Dieser Prozess erzeugt eine ultra dünne Schicht MnSi, die als Keimschicht für das Wachstum dient. Zum Abschluss des Wachstums wird die MnSi-Schicht mit einer amorphen oder einkristallinen Deckschicht vor dem Oxidieren an der Luft geschützt. Das einkristalline Überwachsen der MnSi-Schicht ist mittels Ramanspektroskopie bestätigt. Röntgendiffraktometrie und Ramanspektroskopie bestätigen, dass es sich bei der gewachsenen Schicht um MnSi handelt und nicht um die manganreiche oder siliziumreiche Phasen von Mangansilizid. Anhand der Röntgendiffraktometrie von symmetrischen und asymmetrischen Reflektionen wird die laterale und vertikale Restverspannung gemessen, zusätzlich wird die Entstehung von Zwillingen in der Schicht gezeigt. Die Orientierung der MnSi-Schicht relativ zum Si Substrat ist anhand der parallelen Netzebenen MnSi(210) und Si(511) bestimmt. Transportmessungen an den Schichten zeigen unterhalb von 30K eine T^2-Abhängigkeit des spezifischen Widerstands, oberhalb metallisches Verhalten. Der Magneto Widerstand der MnSi Schicht beträgt 0.9%. Bei einem Magnetfeldsweep in der Schichtebene wird ein kurioses, dem Memory-Effekt ähnliches Verhalten beobachtet. Silizium/Siliziumsuboxid (SiOx)-Vielschichtstrukturen werden auf Si(100) Substraten gewachsen. Das Siliziumwachstum wird unterbrochen und die Probenoberfläche mit molekularem Sauerstoff oxidiert. Dabei verändert sich das RHEED-Muster von der Si-(2x1) Rekonstruktion zu einem amorphen Muster. Das Siliziumwachstum wird nach der Oxidation fortgesetzt und im RHEED entsteht dabei ein Punktmuster das von einer rauen, drei-dimensionalen Oberfläche zeugt. Durch Siliziumwachstum bei Substrattemperaturen zwischen 600°C und 700°C wird die Oberfläche wieder geglättet. Aufnahmen mit dem Transmissionselektronenmikroskop zeigen, dass bei diesem Wachstum eine 1nm dicke SiOx-Schicht eingebettet zwischen einkristalline Siliziumschichten entsteht. Wenn die Siliziumoberfläche wieder glatt ist, kann durch wiederholen der Wachstumssequenz eine Vielschichtstruktur hergestellt werden. Der Sauerstoffgehalt der hergestellten Suboxidschichten wurde mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie und eigens zu diesem Zweck angepassten Röntgendiffraktometrie-Simulationen auf 7.6% bis 26.8% bestimmt. Die strukturelle Stabilität der Proben wurde mit Röntgendiffraktometrie vor und nach kurzem Hochtemperaturtempern untersucht. Bei Temperaturen bis 1000°C kann mittels Röntgendiffraktometrie keine Änderung der Si/SiOx Vielschicht-Strukturen festgestellt werden.

This thesis describes the growth and characterization of epitaxial MnSi thin films on Si substrates. The interest in this material system stems from the rich magnetic phase diagram resulting from the noncentrosymmetric B20 crystal structure. Here neighboring spins prefer a tilted relative arrangement in contrast to ferro- and antiferromagnets, which leads to a helical ground state where crystal and spin helix chirality are linked [IEM+85]. This link makes the characterization and control of the crystal chirality the main goal of this thesis. After a brief description of the material properties and applied methods, the thesis itself is divided into four main parts. In the first part the advancement of the MBE growth process of MnSi on Si\((111)\) substrate as well as the fundamental structural characterization are described. Here the improvement of the substrate interface by an adjusted substrate preparation process is demonstrated, which is the basis for well ordered flat MnSi layers. On this foundation the influence of Mn/Si flux ratio and substrate temperature on the MnSi layer growth is investigated via XRD and clear boundaries to identify the optimal growth conditions are determined. The nonstoichiometric phases outside of this optimal growth window are identified as HMS and Mn\(_5\)Si\(_3\). Additionally, a regime at high substrate temperatures and low Mn flux is discovered, where MnSi islands are growing incorporated in a Si layer, which could be interesting for further investigations as a size confinement can change the magnetic phase diagram [DBS+18]. XRD measurements demonstrate the homogeneity of the grown MnSi layers over most of the 3 inch wafer diameter and a small \(\omega\)-FWHM of about 0.02° demonstrates the high quality of the layers. XRD and TEM measurements also show that relaxation of the layers happens via misfit dislocations at the interface to the substrate. The second part of the thesis is concerned with the crystal chirality. Here azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections reveal twin domains with a \(\pm\)30° rotation to the substrate. These twin domains seem to consist of left and right-handed MnSi, which are connected by a mirror operation at the \((\bar{1}10)\) plane. For some of the asymmetric XRD reflections this results in different intensities for the different twin domains, which reveals that one of the domains is rotated +30° and the other is rotated -30°. From XRD and TEM measurements an equal volume fraction of both domains is deduced. Different mechanisms to suppress these twin domains are investigated and successfully achieved with the growth on chiral Si surfaces, namely Si\((321)\) and Si\((531)\). Azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections demonstrate a suppression of up to 92%. The successful twin suppression is an important step in the use of MnSi for the proposed spintronics applications with skyrmions as information carriers, as discussed in the introduction. Because of this achievement, the third part of the thesis on the magnetic properties of the MnSi thin films is not only concerned with the principal behavior, but also with the difference between twinned and twin suppressed layers. Magnetometry measurements are used to demonstrate, that the MnSi layers behave principally as expected from the literature. The analysis of saturation and residual magnetization hints to the twin suppression on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates and further investigations with more samples can complete this picture. For comparable layers on Si\((111)\), Si\((321)\) and Si\((531)\) the Curie-Weiss temperature is identical within 1 K and the critical field within 0.1 T. Temperature dependent magnetoresistivity measurements also demonstrate the expected \(T^2\) behavior not only on Si\((111)\) but also on Si\((321)\) substrates. This demonstrates the successful growth of MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates. The latter measurements also reveal a residual resistivity of less then half for MnSi on Si\((321)\) in comparison to Si\((111)\). This can be explained with the reduced number of domain boundaries demonstrating the successful suppression of one of the twin domains. The homogeneity of the residual resistivity as well as the charge carrier density over a wide area of the Si\((111)\) wafer is also demonstrated with these measurements as well as Hall effect measurements. The fourth part shows the AMR and PHE of MnSi depending on the angle between in plane current and magnetic field direction with respect to the crystal direction. This was proposed as a tool to identify skyrmions [YKT+15]. The influence of the higher C\(_{3\mathrm{v}}\) symmetry of the twinned system instead of the C\(_3\) symmetry of a B20 single crystal is demonstrated. The difference could serve as a useful additional tool to prove the twin suppression on the chiral substrates. But this is only possible for rotations with specific symmetry surfaces and not for the studied unsymmetrical Si\((321)\) surface. Measurements for MnSi layers on Si\((111)\) above the critical magnetic field demonstrate the attenuation of AMR and PHE parameters for increasing resistivity, as expected from literature [WC67]. Even if a direct comparison to the parameters on Si\((321)\) is not possible, the higher values of the parameters on Si\((321)\) can be explained considering the reduced charge carrier scattering from domain boundaries. Below the critical magnetic field, which would be the region where a skyrmion lattice could be expected, magnetic hysteresis complicates the analysis. Only one phase transition at the critical magnetic field can be clearly observed, which leaves the existence of a skyrmion lattice in thin epitaxial MnSi layers open. The best method to solve this question seems to be a more direct approach in the form of Lorentz-TEM, which was also successfully used to visualize the skyrmion lattice for thin plates of bulk MnSi [TYY+12]. For the detection of in plane skyrmions, lamellas would have to be prepared for a side view, which seems in principle possible. The demonstrated successful twin suppression for MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates may also be applied to other material systems. Suppressing the twinning in FeGe on Si\((111)\) would lead to a single chirality skyrmion lattice near room temperature [HC12]. This could bring the application of skyrmions as information carriers in spintronics within reach. Glossary: MBE Molecular Beam Epitaxy XRD X-Ray Diffraction HMS Higher Manganese Silicide FWHM Full Width Half Maximum TEM Tunneling Electron Microscopy AMR Anisotropic MagnetoResistance PHE Planar Hall Effect Bibliography: [IEM+85] M. Ishida, Y. Endoh, S. Mitsuda, Y. Ishikawa, and M. Tanaka. Crystal Chirality and Helicity of the Helical Spin Density Wave in MnSi. II. Polarized Neutron Diffraction. Journal of the Physical Society of Japan, 54(8):2975, 1985. [DBS+18] B. Das, B. Balasubramanian, R. Skomski, P. Mukherjee, S. R. Valloppilly, G. C. Hadjipanayis, and D. J. Sellmyer. Effect of size confinement on skyrmionic properties of MnSi nanomagnets. Nanoscale, 10(20):9504, 2018. [YKT+15] T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, A. Kikkawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, and Y. Tokura. Formation of In-plane Skyrmions in Epitaxial MnSi Thin Films as Revealed by Planar Hall Effect. Journal of the Physical Society of Japan, 84(10):104708, 2015. [WC67] R. H. Walden and R. F. Cotellessa. Magnetoresistance of Nickel-Copper Single-Crystal Thin Films. Journal of Applied Physics, 38(3):1335, 1967. [TYY+12] A. Tonomura, X. Yu, K. Yanagisawa, T. Matsuda, Y. Onose, N. Kanazawa, H. S. Park, and Y. Tokura. Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples. Nano Letters, 12(3):1673, 2012. [HC12] S. X. Huang and C. L. Chien. Extended Skyrmion Phase in Epitaxial FeGe(111) Thin Films. Physical Review Letters, 108(26):267201, 2012. / Diese Arbeit befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dünner epitaktischer MnSi Schichten auf Si Substraten. Das Interesse an diesem Materialsystem liegt insbesondere im reichhaltigen magnetischen Phasendiagramm begründet, welches aus der nicht zentrosymmetrischen B20 Kristallstruktur des MnSi resultiert. Im Gegensatz zu Ferro- oder Antiferromagneten bevorzugen benachbarte Spins sich unter einem Winkel zueinander auszurichten, was zu einem helikalen Grundzustand führt in dem die Händigkeit von Kristallstruktur und Spin-Helix aneinander gekoppelt sind [IEM+85]. Diese Kopplung macht die Charakterisierung und Kontrolle der Händigkeit der Kristallstruktur zum Hauptziel dieser Arbeit. Nach einer kurzen Beschreibung der Materialeigenschaften und der angewendeten Methoden ist die Arbeit selbst in vier Hauptteile aufgeteilt. Im ersten Teil ist sowohl die Verbesserung des Molekularstrahlepitaxie-Wachstumsprozesses von MnSi auf Si\((111)\) Substrat, als auch die grundlegende strukturelle Charakterisierung beschrieben. Hierbei ist die Verbesserung der Substratgrenzfläche mit Hilfe eines angepassten Vorbereitungsprozesses erläutert, welche die Basis für glatte, geordnete dünne MnSi Schichten bildet. Auf dieser Basis ist der Einfluss des Mn/Si Fluss-Verhältnisses sowie der Substrattemperatur mittels Röntgenbeugung dargestellt und ein optimales Wachstumsfenster identifiziert. Die nicht stöchiometrischen Phasen außerhalb dieses Wachstumsfensters sind MnSi\(_{1.75-x}\) (HMS) sowie Mn\(_5\)Si\(_3\). Zusätzlich tritt bei hohen Substrattemperaturen und niedrigem Mn Fluss eine Phase auf, in der MnSi Inseln, eingebettet in eine Si Schicht, wachsen. Diese könnten von weiterführendem Interesse sein, da die Größenbeschränkung das magnetische Phasendiagramm beeinflussen kann [DBS+18]. Röntgenbeugungsmessungen zeigen die Homogenität der gewachsenen MnSi Schichten über einen Großteil des 3\ Zoll Wafer Durchmessers sowie die hohe Qualität mittels einer kleinen \(\omega\)-Halbwertsbreite von ungefähr 0.02°. Röntgenbeugungs- und Transmissionselektronenmikroskopiemessungen zeigen außerdem, dass die MnSi Dünnschichten mittels Fehlversetzungen an der Grenzfläche zwischen Dünnschicht und Substrat relaxieren. Der zweite Teil befasst sich mit der Händigkeit der Kristallstruktur. Azimutale \(\phi\)-Messungen asymmetrischer Röntgenbeugungsreflexe zeigen Kristallzwillingsdomänen welche \(\pm\)30° zum Substrat rotiert sind. Die Kristallzwillingsdomänen lassen sich vermutlich als rechts- und links-händiges MnSi identifizieren, welche durch eine Spiegelung an der \((\bar{1}10)\) Ebene verbunden sind. Anhand der unterschiedlichen Intensität mancher Reflexe für unterschiedliche Händigkeit wird außerdem gezeigt, dass eine der Domänen um +30° und die andere Domäne um -30° rotiert ist. Mithilfe der Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie wird außerdem der gleiche Volumenanteil der Kristallzwillinge demonstriert. Verschieden Mechanismen zur Unterdrückung dieser Kristallzwillingsdomänen werden untersucht und die erfolgreiche Unterdrückung gelang mit Hilfe des Wachstums auf chiralen Si Substraten, nämlich Si\((321)\) und Si\((531)\) Substraten. Hier ist mit azimutalen \(\phi\)-Messungen der asymmetrischen Röntgenbeugungsreflexen eine Unterdrückung von bis zu 92% demonstriert. Die erfolgreiche Unterdrückung der Kristallzwillingsdomänen ist ein wichtiger Schritt zur vorgeschlagenen Nutzung von MnSi in Spintronik-Anwendungen, wie in der Einleitung erläutert. Aufgrund dessen befasst sich der dritte Teil nicht nur mit den magnetischen Eigenschaften der dünnen MnSi Schichten, sondern auch damit, wie die Unterschiede für Schichten mit Kristallzwillingsdomänen und mit deren Unterdrückung sind. Im ersten Abschnitt ist anhand von Magnetometriemessungen gezeigt, dass sich die MnSi Dünnschichten prinzipiell so verhalten, wie es aus der Literatur zu erwarten ist. Das Verhalten von Sättigungs- und Restmagnetisierung deutet auf die Unterdrückung der Kristallzwillingsdomänen auf Si\((321)\) und Si\((531)\) Substraten hin, wobei das Gesamtbild mittels einer erweiterten Probenserie vervollständigt werden kann. Für vergleichbare MnSi Dünnschichten auf Si\((111)\), Si\((321)\) und Si\((531)\) ist die Curie-Weiss Temperatur innerhalb von 1 K und das kritische Magnetfeld innerhalb von 0.1 T identisch. Die Temperaturabhängigkeit des Magnetowiderstands zeigt das zu erwartende \(T^2\) Verhalten nicht nur auf Si\((111)\), sondern auch auf Si\((321)\). Dies zeigt das erfolgreiche Wachstum von MnSi auf Si\((321)\) und Si\((531)\). Die letzteren Messungen ergeben außerdem einen Restwiderstand von weniger als der Hälfte für MnSi auf Si\((321)\) im Vergleich zu Si\((111)\). Dies kann durch die geringere Anzahl an Domänengrenzen erklärt werden und zeigt die erfolgreiche Unterdrückung einer Kristallzwillingsdomäne. Mit Hilfe der Restwiderstände und Hall-Messungen ist die Homogenität des Restwiderstandes und der Ladungsträgerdichte über einen großen Bereich des Wafers gezeigt. Im vierten Teil werden der Anisotrope Magnetwiderstand und der Planare Hall Effekt für MnSi abhängig von den Winkeln von Stromrichtung und Magnetfeld im Bezug auf die Kristallrichtung untersucht. Dies wurde als Werkzeug zur Identifikation der Skyrmionenphase vorgeschlagen [YKT+15]. Der Einfluss der höheren C\(_{3\mathrm{v}}\) Symmetrie des Kristallzwillingssystems und nicht der C\(_3\) Symmetrie des B20 Einzelkristalls ist gezeigt Der Unterschied könnte ein nützliches zusätzliches Werkzeug für die Demonstration der Kristallzwillingsunterdrückung sein. Dies ist allerdings nur für die Rotation mit spezifischen symmetrischen Oberflächen möglich und nicht für die untersuchte unsymmetrische Si\((321)\) Oberfläche. Messungen von MnSi Dünnschichten auf Si\((111)\) oberhalb des kritischen Magnetfeldes zeigen die Abnahme der Anisotropie-Parameter für den Anisotropen Magnetwiderstand und den Planaren Hall-Effekt für steigenden Widerstand, wie aus der Literatur zu erwarten [WC67]. Auch wenn ein direkter Vergleich zu den Parametern für Dünnschichten auf Si\((321)\) nicht möglich ist, können die größeren Parameterwerte bei Si\((321)\) mit der reduzierten Streuung an Domänengrenzen erklärt werden. Die Analyse unterhalb des kritischen Magnetfeldes, der Bereich in dem eine mögliche Skyrmionenphase zu erwarten wäre, wird durch magnetische Hysterese verkompliziert. Nur ein Phasenübergang beim kritischen Magnetfeld kann deutlich gezeigt werden. Damit bleibt die Frage zur Existenz der Skyrmionen in den MnSi Dünnschichten weiter offen. Die beste Möglichkeit diese Frage zu klären wäre ein direkterer Ansatz in Form von Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie, welche schon erfolgreich genutzt wurde um das Skyrmionengitter in dünnen Platten aus Volumenkristall MnSi zu visualisieren [TYY+12]. Für die Detektion von Skyrmionen in der Schichtebene müssten Lamellen für eine Seitenansicht präpariert werden, was prinzipiell möglich erscheint. Die gezeigte erfolgreiche Unterdrückung von einem der Kristallzwillinge für MnSi Schichten auf Si\((321)\) und Si\((531)\) sollte außerdem auf andere Materialsysteme übertragbar sein. Die Kristallzwillingsbildung in FeGe auf Si\((111)\) zu unterdrücken würde zu einem Skyrmionengitter mit einer einzigen Händigkeit bei annähernd Raumtemperatur führen [HC12]. Dies könnte Skyrmionen als Informationsträger in der Spintronik in greifbare Nähe bringen. Bibliographie: [IEM+85] M. Ishida, Y. Endoh, S. Mitsuda, Y. Ishikawa, and M. Tanaka. Crystal Chirality and Helicity of the Helical Spin Density Wave in MnSi. II. Polarized Neutron Diffraction. Journal of the Physical Society of Japan, 54(8):2975, 1985. [DBS+18] B. Das, B. Balasubramanian, R. Skomski, P. Mukherjee, S. R. Valloppilly, G. C. Hadjipanayis, and D. J. Sellmyer. Effect of size confinement on skyrmionic properties of MnSi nanomagnets. Nanoscale, 10(20):9504, 2018. [YKT+15] T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, A. Kikkawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, and Y. Tokura. Formation of In-plane Skyrmions in Epitaxial MnSi Thin Films as Revealed by Planar Hall Effect. Journal of the Physical Society of Japan, 84(10):104708, 2015. [WC67] R. H. Walden and R. F. Cotellessa. Magnetoresistance of Nickel-Copper Single-Crystal Thin Films. Journal of Applied Physics, 38(3):1335, 1967. [TYY+12] A. Tonomura, X. Yu, K. Yanagisawa, T. Matsuda, Y. Onose, N. Kanazawa, H. S. Park, and Y. Tokura. Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples. Nano Letters, 12(3):1673, 2012. [HC12] S. X. Huang and C. L. Chien. Extended Skyrmion Phase in Epitaxial FeGe(111) Thin Films. Physical Review Letters, 108(26):267201, 2012.

The study of magnetic phases in spintronic materials is crucial to both our fundamental understanding of magnetic interactions and for finding new effects for future applications. In this thesis, we study the basic electrical and magnetic transport properties of both epitaxially-grown MnSi thin films, a helimagnetic metal only starting to be developed within our group, and parabolic-doped ultra-thin (Ga,Mn)As layers for future studies and applications. / Um einerseits ein fundamentales Verständnis magnetischer Wechselwirkungen zu erhalten und andererseits neue Effekte für zukünftige Anwendungen zu finden, ist es entscheidend, magnetische Phasen spintronischer Materialien zu untersuchen. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf grundlegende elektrische und magnetische Transporteigenschaften zweier Materialsysteme. Das sind zum Ersten ultradünne (Ga,Mn)As Filme mit parabolischen Dotierprofilen, und zum Zweiten epitaktisch gewachsene Dünnschichten aus MnSi, einem helimagnetischen Metal, dessen Entwicklung seit Kurzem in unserer Gruppe vorangetrieben wird.

Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

The present thesis reports on the transmission electron microscopy structure characterization of semiconducting thin films of higher manganese silicides (HMS or MnSi1.7) grown on (001)Si by different UHV deposition methods (the template method, reactive deposition and surfactant mediated reactive deposition). In this work electron diffraction technique was applied for the fist time to reveal the HMS phase growing in thin MnSi1.7 films. The obtained results suggest the presence of the shortest in c-axis length HMS phase, namely Mn4Si7, within our experiments. It has been shown that growth of epitaxial Mn4Si7 grains can be achieved by the template technique. In particular, the influence of the template thickness on the silicide layer quality has been investigated. It has been found that deposition of a thin Mn layer of 0.8 nm nominal thickness at room temperature prior to the Mn/Si codeposition at 550°C causes the formation of a silicide template that leads to the preferred epitaxial Mn4Si7 growth with (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si. Silicide crystallites of two additional orientation relations, (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si and (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si, were present at the same template thickness to a lesser extent. Due to the crystal symmetry of Mn4Si7 and Si the epitaxial Mn4Si7 growth on (001)Si leads to the formation of a number of Mn4Si7 domains for each observed orientation. Additional experiments were carried out using the reactive deposition process. It has been shown that the deposition of Mn onto (001)Si at substrate temperatures higher then 600°C leads to the formation of large silicide islands growing with the major part of their elongated grains parallel to <110>Si. XRD investigations show the observed silicide grains to exhibit the following texture: (110)Mn4Si7 || (001)Si. The found island morphology of Mn4Si7 films can be modified by the deposition of about one monolayer of Sb (surfactant) onto (001)Si prior to the Mn-deposition. This process results in an increase of the silicide island density by about two orders of magnitude and decrease of the silicide grain dimensions to nanometer range. Furthermore, in the presence of Sb the silicide layers grow with the preferential orientation: (100)[010]Mn4Si7 || (001)[100]Si. The observed changes in the morphology and orientation of the Mn4Si7 layers can be explained by the reduced diffusion of Mn and Si atoms in the presence of the Sb overlayer. / In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von dünnen MnSi1.7-Schichten, die mit verschiedenen UHV-Herstellungsmethoden (template-Verfahren, reaktive Abscheidung und surfactant gesteuerte Abscheidung) auf (001)Si hergestellt wurden, mittels Elektronenmikroskopie charakterisiert. Die Ergebnisse der Elektronenbeugung an dünnen Mangansilicid-Schichten können vollständig interpretiert werden, wenn von den bekannten höheren Mangansiliciden (HMS) das Mn4Si7 als einzige vorliegende Phase angenommen wird. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit den mittels template-Verfahren abgeschiedenen Mn4Si7-Schichten. In diesen Experimenten wurde der Einfluss der template-Dicke auf die Morphologie und Orientierung der hergestellten Schichten untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Abscheidung von einer dünnen Mn-Schicht mit einer nominalen Dicke von 0,8 nm bei Raumtemperatur und weiterer Mn/Si-Koabscheidung bei einer Substrattemperatur von 550°C nahezu geschlossene Silicidschichten mit der bevorzugten Orientierungsbeziehung (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si entstehen. Weiterhin wachsen bei dieser template-Dicke Mn4Si7-Kristallite mit den Orientierungsbeziehungen: (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si und (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si. Bei jeder gefundenen Orientierungsbeziehung treten beim Wachstum von Mn4Si7 auf (001)Si mehrere Domäne auf. Zusätzliche Experimente wurden unter Verwendung der reaktiven Schichtabscheidung durchgeführt. Sie verdeutlichen, dass bei reaktiver Abscheidung von Mn auf (001)Si ab einer Substrattemperatur von 600°C ein Wachstum von Mn4Si7-Inseln entlang den [110]-Richtungen des Siliciums erfolgt. XRD-Untersuchungen zeigen, dass diese Inseln die folgende Textur haben: (110)Mn4Si7 || (001)Si. Durch eine Modifizierung der Si-Oberfläche mit einer bis zu einer Monolage dicken Sb-Schicht (surfactant) kann das Mn4Si7-Inselwachstum beeinflusst werden. Die dabei gefundene Erhöhung der Mn4Si7-Inseldichte wird hier auf die reduzierte Mn- und Si-Diffusion zurükgeführt. Weiterhin wurde gefunden, dass dieser Abscheidungsprozess Mn4Si7-Kristallite der bevorzugten Orientierung (100)[010]Mn4Si7 || (001)[110]Si liefert.

Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

The present thesis reports on the transmission electron microscopy structure characterization of semiconducting thin films of higher manganese silicides (HMS or MnSi1.7) grown on (001)Si by different UHV deposition methods (the template method, reactive deposition and surfactant mediated reactive deposition). In this work electron diffraction technique was applied for the fist time to reveal the HMS phase growing in thin MnSi1.7 films. The obtained results suggest the presence of the shortest in c-axis length HMS phase, namely Mn4Si7, within our experiments. It has been shown that growth of epitaxial Mn4Si7 grains can be achieved by the template technique. In particular, the influence of the template thickness on the silicide layer quality has been investigated. It has been found that deposition of a thin Mn layer of 0.8 nm nominal thickness at room temperature prior to the Mn/Si codeposition at 550°C causes the formation of a silicide template that leads to the preferred epitaxial Mn4Si7 growth with (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si. Silicide crystallites of two additional orientation relations, (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si and (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si, were present at the same template thickness to a lesser extent. Due to the crystal symmetry of Mn4Si7 and Si the epitaxial Mn4Si7 growth on (001)Si leads to the formation of a number of Mn4Si7 domains for each observed orientation. Additional experiments were carried out using the reactive deposition process. It has been shown that the deposition of Mn onto (001)Si at substrate temperatures higher then 600°C leads to the formation of large silicide islands growing with the major part of their elongated grains parallel to <110>Si. XRD investigations show the observed silicide grains to exhibit the following texture: (110)Mn4Si7 || (001)Si. The found island morphology of Mn4Si7 films can be modified by the deposition of about one monolayer of Sb (surfactant) onto (001)Si prior to the Mn-deposition. This process results in an increase of the silicide island density by about two orders of magnitude and decrease of the silicide grain dimensions to nanometer range. Furthermore, in the presence of Sb the silicide layers grow with the preferential orientation: (100)[010]Mn4Si7 || (001)[100]Si. The observed changes in the morphology and orientation of the Mn4Si7 layers can be explained by the reduced diffusion of Mn and Si atoms in the presence of the Sb overlayer. / In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von dünnen MnSi1.7-Schichten, die mit verschiedenen UHV-Herstellungsmethoden (template-Verfahren, reaktive Abscheidung und surfactant gesteuerte Abscheidung) auf (001)Si hergestellt wurden, mittels Elektronenmikroskopie charakterisiert. Die Ergebnisse der Elektronenbeugung an dünnen Mangansilicid-Schichten können vollständig interpretiert werden, wenn von den bekannten höheren Mangansiliciden (HMS) das Mn4Si7 als einzige vorliegende Phase angenommen wird. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit den mittels template-Verfahren abgeschiedenen Mn4Si7-Schichten. In diesen Experimenten wurde der Einfluss der template-Dicke auf die Morphologie und Orientierung der hergestellten Schichten untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Abscheidung von einer dünnen Mn-Schicht mit einer nominalen Dicke von 0,8 nm bei Raumtemperatur und weiterer Mn/Si-Koabscheidung bei einer Substrattemperatur von 550°C nahezu geschlossene Silicidschichten mit der bevorzugten Orientierungsbeziehung (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si entstehen. Weiterhin wachsen bei dieser template-Dicke Mn4Si7-Kristallite mit den Orientierungsbeziehungen: (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si und (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si. Bei jeder gefundenen Orientierungsbeziehung treten beim Wachstum von Mn4Si7 auf (001)Si mehrere Domäne auf. Zusätzliche Experimente wurden unter Verwendung der reaktiven Schichtabscheidung durchgeführt. Sie verdeutlichen, dass bei reaktiver Abscheidung von Mn auf (001)Si ab einer Substrattemperatur von 600°C ein Wachstum von Mn4Si7-Inseln entlang den [110]-Richtungen des Siliciums erfolgt. XRD-Untersuchungen zeigen, dass diese Inseln die folgende Textur haben: (110)Mn4Si7 || (001)Si. Durch eine Modifizierung der Si-Oberfläche mit einer bis zu einer Monolage dicken Sb-Schicht (surfactant) kann das Mn4Si7-Inselwachstum beeinflusst werden. Die dabei gefundene Erhöhung der Mn4Si7-Inseldichte wird hier auf die reduzierte Mn- und Si-Diffusion zurükgeführt. Weiterhin wurde gefunden, dass dieser Abscheidungsprozess Mn4Si7-Kristallite der bevorzugten Orientierung (100)[010]Mn4Si7 || (001)[110]Si liefert.