High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden erste Untersuchungen zur Herstellung dünner NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Schichten auf Si(001) erbracht. Dazu wurden Ni-Si-Al-Schichten mittels DC-Magnetron-Sputtern sowie Ni-Si-Ga-Schichten mittels Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE) abgeschieden und anschließend in Abhängigkeit von der Herstellungsprozedur in einer RTA-Anlage thermisch behandelt. Die so entstandenen Reaktionsschichten wurden anschließend mittels RBS charakterisiert, wobei zusätzlich REM-, TEM-, AES-Tiefenprofil- und XRD-Untersuchungen ergänzend genutzt wurden. Es zeigt sich, dass unabhängig von der Abscheideprozedur bei ausreichend hoher Temper- bzw. Substrattemperatur die thermodynamisch stabilen Endphasen NiSi(2-x)Al(x) bzw. NiSi(2-x)Ga(x) gebildet werden. Während die Bildungstemperatur bei Festphasenreaktionen ohne Al- bzw. Ga-Zugabe für NiSi2 etwa 700°C beträgt, reduziert sich diese unter Anwesenheit von Al- bzw. Ga-Atomen auf 500°C und darunter. Dabei scheinen bereits eine Al- bzw. Ga-Konzentration von unter einem Atomprozent als notwendiger Stoffmengenanteil auszureichen. Befindet sich der Ort der Keimbildung der NiSi(2-x)Al(x)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)-Kristallite an der Grenzfläche zum Si(001)-Substrat, so ist eine Änderung der bevorzugten Wachstumsorientierung von NiSi(2-x)Al(x)(001)[100] || Si(001)[100] bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(001)[100] || Si(001)[100] (A-Typ) zu einer NiSi(2-x)Al(x)(220) || Si(001)- bzw. NiSi(2-x)Ga(x)(220) || Si(001)-Vorzugsorientierung festzustellen. Die dafür notwendige Konzentration von Al- bzw. Ga-Atomen scheint jedoch höher zu sein als die, die für die Erniedrigung der Bildungstemperatur notwendig ist.

The term "topological insulator" (TI) represents a novel class of compounds which are insulating in the bulk, but simultaneously and unavoidably have a metallic surface. The reason for this is the non-trivial band topology, arising from particular band inversions and the spin-orbit interaction, of the bulk. These topologically protected metallic surface states are characterized by massless Dirac dispersion and locked helical spin polarization, leading to forbidden back-scattering with robustness against disorder. Based on the extraordinary features of the topological insulators an abundance of new phenomena and many exciting experiments have been proposed by theoreticians, but still await their experimental verification, not to mention their implementation into applications, e.g. the creation of Majorana fermions, advanced spintronics, or the realization of quantum computers. In this perspective, the 3D TIs Bi2Te3 and Bi2Se3 gained a lot of interest due to their relatively simple electronic band structure, having only a single Dirac cone at the surface. Furthermore, they exhibit an appreciable bulk band gap of up to ~ 0.3 eV, making room temperature applications feasible. Yet, the execution of these proposals remains an enormous experimental challenge. The main obstacle, which thus far hampered the electrical characterization of topological surface states via transport experiments, is the residual extrinsic conductivity arising from the presence of defects and impurities in their bulk, as well as the contamination of the surface due to exposure to air. This thesis is part of the actual effort in improving sample quality to achieve bulk-insulating Bi2Te3 films and study of their electrical properties under controlled conditions. Furthermore, appropriate capping materials preserving the electronic features under ambient atmosphere shall be identified to facilitate more sophisticated ex-situ experiments. Bi2Te3 thin films were fabricated by molecular beam epitaxy (MBE). It could be shown that, by optimizing the growth conditions, it is indeed possible to obtain consistently bulk-insulating and single-domain TI films. Hereby, the key factor is to supply the elements with a Te/Bi ratio of ~8, while achieving a full distillation of the Te, and the usage of substrates with negligible lattice mismatch. The optimal MBE conditions for Bi2Te3 were found in a two-step growth procedure at substrate temperatures of 220°C and 250°C, respectively, and a Bi flux rate of 1 Å/min. Subsequently, the structural characterization by high- and low-energy electron diffraction, photoelectron spectroscopy, and, in particular, the temperature-dependent conductivity measurements were entirely done inside the same ultra-high vacuum (UHV) system, ensuring a reliable record of the intrinsic properties of the topological surface states. Bi2Te3 films with thicknesses ranging from 10 to 50 quintuple layers (QL; 1QL~1 nm) were fabricated to examine, whether the conductivity is solely arising from the surface states. Angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) demonstrates that the chemical potential for all these samples is located well within the bulk band gap, and is only intersected by the topological surface states, displaying the characteristic linear dispersion. A metallic-like temperature dependency of the sheet resistance is observed from the in-situ transport experiments. Upon going from 10 to 50QL the sheet resistance displays a variation by a factor 1.3 at 14K and of 1.5 at room temperature, evidencing that the conductivity is indeed dominated by the surface. Low charge carrier concentrations in the range of 2–4*10^12 cm^−2 with high mobility values up to 4600 cm2/Vs could be achieved. Furthermore, the degradation effect of air exposure on the conductance of the Bi2Te3 films was quantified, emphasizing the necessity to protect the surface from ambient conditions. Since the films behave inert to pure oxygen, water/moisture is the most probable source of degeneration. Moreover, epitaxially grown elemental tellurium was identified as a suitable capping material preserving the properties of the intrinsically insulating Bi2Te3 films and protecting from alterations during air exposure, facilitating well-defined and reliable ex-situ experiments. These findings serve as an ideal platform for further investigations and open the way to prepare devices that can exploit the intrinsic features of the topological surface states.:Abstract Kurzfassung Acronyms List of Symbols Introduction 1 Topological insulators 1.1 Basic theory of topological insulators 1.2 3D topological insulator materials: bismuth chalcogenides 2 Experimental techniques 2.1 General layout of the UHV-system 2.2 Molecular beam epitaxy 2.3 Structural and spectroscopic characterization 2.3.1 RHEED and LEED 2.3.2 Photoelectron spectroscopy 2.3.3 Ex situ x-ray diffraction 2.4 In situ electrical resistance measurements 2.4.1 In situ transport setup 2.4.2 Measurement equipment and operation modes 2.5 Substrates and sample holders 3 MBE growth and structural characterization of Bi2Te3 thin films 3.1 Bi2Te3 growth optimization and in situ structural characterization 3.1.1 1-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.2 2-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.3 2-step growth on BaF2 (111) 3.2 Ex situ structural characterization 4 In situ spectroscopy and transport properties of Bi2Te3 thin films 4.1 In situ spectroscopy of Bi2Te3 thin films 4.1.1 XPS 4.1.2 ARPES 4.2 Combined ARPES and in situ electrical resistance measurements of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 4.2.1 Quality of the in situ electrical sample contacts 4.2.2 Verification of the intrinsic conduction through topological surface states of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 5 Effect of surface contaminants on the TI properties 5.1 Effect of air exposure on the electrical conductivity of Bi2Te3 surfaces 5.2 Determination of the contaminants causing degradation of the TI properties 5.3 Long-time resistance behavior of a Bi2Te3 film exposed to minimal traces of contaminants 6 Protective capping of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 6.1 Capping with BaF2 6.1.1 MBE growth and structure of BaF2 on Bi2Te3 thin films 6.1.2 Electron spectroscopy and electrical transport properties of BaF2 capped Bi2Te3 6.2 Capping with tellurium 6.2.1 MBE growth and structure of Te on Bi2Te3 thin films 6.2.2 Photoelectron spectroscopy and electrical transport properties of Te capped Bi2Te3 6.2.3 De-capping of Te 6.2.4 Efficiency of Te capping against air exposure 7 Conclusion and outlook Bibliography Versicherung Curriculum vitae Veröffentlichungen / Der Begriff "Topologischer Isolator" (TI) beschreibt eine neuartige Klasse von Verbindungen deren Inneres (engl. Bulk) isolierend ist, dieses Innere aber gleichzeitig und zwangsläufig eine metallisch leitende Oberfläche aufweist. Dies ist begründet in der nicht-trivialen Topologie dieser Materialien, welche durch eine spezielle Invertierung einzelner Bänder in der Bandstruktur und der Spin-Bahn-Kopplung im Materialinneren hervorgerufen ist. Diese topologisch geschützten, metallischen Oberflächenzustände sind gekennzeichnet durch eine masselose Dirac Dispersionsrelation und gekoppelte Helizität der Spinpolarisation, welche die Rückstreuung der Ladungsträger verbietet und somit zur Stabilisierung der Zustände gegenüber Störungen beiträgt. Auf Grundlage dieser außergewöhnlichen Merkmale haben Theoretiker eine Fülle neuer Phänomene und spannender Experimente vorhergesagt. Deren experimentelle Überprüfung steht jedoch noch aus, geschweige denn deren Umsetzung in Anwendungen, wie zum Beispiel die Erzeugung von Majorana Teilchen, fortgeschrittene Spintronik, oder die Realisierung von Quantencomputern. Aufgrund ihrer relativ einfachen Bandstruktur, welche nur einen Dirac-Kegel an der Oberfläche aufweist, haben die 3D TI Bi2Te3 und Bi2Se3 in den letzten Jahren großes Interesse erlangt. Weiterhin besitzen diese Materialien eine merkliche Bandlücke von bis zu ~0,3 eV, welche sogar Anwendungen bei Raumtemperatur ermöglichen könnten. Dennoch ist deren experimentelle Umsetzung nachwievor eine enorme Herausforderung. Das Haupthindernis, welches bis jetzt insbesondere die elektrische Charakterisierung the topologischen Oberflächenzustände behindert hat, ist die zusätzliche Leitfähigkeit des Materialinneren, welche durch Kristalldefekte und Beimischungen, sowie die Verunreinigung der Probenoberfläche durch Luftexposition bedingt wird. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zu aktuellen den Anstrengungen in der Verbesserung der Probenqualität der TI um die Leitfähigkeit des Materialinneren zu unterdrücken, sowie die anschließende Untersuchung der elektrischen Eigenschaften unter kontrollierten Bedingungen durchzuführen. Weiterhin sollen geeignete Deckschichten identifiziert werden, welche die besonderen elektronischen Merkmale der TI nicht beeinflussen sowie diese gegen äußere Einflüsse schützen, und somit die Durchführung anspruchsvoller ex situ Experimente ermöglichen können. Die untersuchten Bi2Te3 Schichten wurden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass es allein durch Optimierung der Wachstumsbedingungen möglich ist Proben herzustellen, die gleichbleibend isolierende Eigenschaften des TI Inneren aufweisen und Eindomänen-Ausrichtung besitzen. Die zentralen Faktoren sind hierbei die Aufrechterhaltung eines Flussratenverhältnisses von Te/Bi ~8 der einzelnen Elemente, sowie die Wahl einer ausreichend hohen Substrattemperatur, um ein vollständiges Abdampfen (Destillation) des überschüssigen Tellur zu erreichen. Weiterhin müssen Substrate mit gut angepassten Gitterparametern verwendet werden, welches bei BaF2 (111) gegeben ist. Optimales MBE Wachstum konnte durch ein Zwei-Stufen Prozess bei Substrattemperaturen von 220°C und 250°C und einer Bi-Verdampfungsrate von 1 Å/min erreicht werden. Die nachfolgende Charakterisierung der strukturellen Eigenschaften, Photoelektronenspektroskopie, sowie temperaturabhängige Leitfähigkeitsmessungen wurden alle in einem zusammenhängenden Ultrahochvakuum-System durchgeführt. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Erfassung der intrinsischen Eigenschaften der TI sichergestellt. Zur Überprüfung, ob die Leitfähigkeit der Proben tatsächlich nur durch die Oberflächenzustände hervorgerufen wird, wurden Filme mit Schichtdicken im Bereich von 10 bis 50 Quintupel-Lagen (QL; 1QL~ 1 nm) hergestellt und charakterisiert. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES) belegt, dass das chemische Potential (Fermi-Niveau) in allen Proben innerhalb der Bandlücke der Bandstruktur des Materialinneren liegt und nur von den topologisch geschützten Oberflächenzuständen gekreuzt wird, welche die charakteristische lineare Dirac Dispersionsrelation aufweisen. Die temperaturabhängigen Widerstandsmessungen zeigen ein metallisches Verhalten aller Proben. Bei der Variation der Schichtdicke von 10 zu 50QL wird eine Streuung des Flächenwiderstandes vom Faktor 1,3 bei 14K und 1,5 bei Raumtemperatur beobachtet. Dies beweist, dass die gemessene Leitfähigkeit vorrangig durch die topologisch geschützten Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Eine geringe Oberflächenladungsträgerkonzentration im Bereich von 2–4*10^12 cm^−2 und hohe Mobilitätswerte von bis zu 4600 cm2/Vs wurden erreicht. Weiterhin wurden die negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften der TI durch Luftexposition quantifiziert, welches die Notwendigkeit belegt, die Oberfläche der TI vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Proben verhalten sich inert gegenüber reinem Sauerstoff, daher ist Wasser aus der Luftfeuchte höchstwahrscheinlich der Hauptgrund für die beobachtbare Verschlechterung. Darüber hinaus konnte epitaktisch gewachsenes Tellur als geeignete Deckschicht ausfindig gemacht werden, welches die Eigenschaften der Bi2Te3 Filme nicht beeinflusst, sowie gegen Veränderungen durch Luftexposition schützt. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen eine ideale Grundlage für weiterführende Untersuchungen dar und ebnen den Weg zur Entwicklung von Bauelementen welche die spezifischen Besonderheiten der topologischen Oberflächenzustände.:Abstract Kurzfassung Acronyms List of Symbols Introduction 1 Topological insulators 1.1 Basic theory of topological insulators 1.2 3D topological insulator materials: bismuth chalcogenides 2 Experimental techniques 2.1 General layout of the UHV-system 2.2 Molecular beam epitaxy 2.3 Structural and spectroscopic characterization 2.3.1 RHEED and LEED 2.3.2 Photoelectron spectroscopy 2.3.3 Ex situ x-ray diffraction 2.4 In situ electrical resistance measurements 2.4.1 In situ transport setup 2.4.2 Measurement equipment and operation modes 2.5 Substrates and sample holders 3 MBE growth and structural characterization of Bi2Te3 thin films 3.1 Bi2Te3 growth optimization and in situ structural characterization 3.1.1 1-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.2 2-step growth on Al2O3 (0001) 3.1.3 2-step growth on BaF2 (111) 3.2 Ex situ structural characterization 4 In situ spectroscopy and transport properties of Bi2Te3 thin films 4.1 In situ spectroscopy of Bi2Te3 thin films 4.1.1 XPS 4.1.2 ARPES 4.2 Combined ARPES and in situ electrical resistance measurements of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 4.2.1 Quality of the in situ electrical sample contacts 4.2.2 Verification of the intrinsic conduction through topological surface states of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 5 Effect of surface contaminants on the TI properties 5.1 Effect of air exposure on the electrical conductivity of Bi2Te3 surfaces 5.2 Determination of the contaminants causing degradation of the TI properties 5.3 Long-time resistance behavior of a Bi2Te3 film exposed to minimal traces of contaminants 6 Protective capping of bulk-insulating Bi2Te3 thin films 6.1 Capping with BaF2 6.1.1 MBE growth and structure of BaF2 on Bi2Te3 thin films 6.1.2 Electron spectroscopy and electrical transport properties of BaF2 capped Bi2Te3 6.2 Capping with tellurium 6.2.1 MBE growth and structure of Te on Bi2Te3 thin films 6.2.2 Photoelectron spectroscopy and electrical transport properties of Te capped Bi2Te3 6.2.3 De-capping of Te 6.2.4 Efficiency of Te capping against air exposure 7 Conclusion and outlook Bibliography Versicherung Curriculum vitae Veröffentlichungen

Sources of single and polarization-entangled photons are an essential component in a variety of potential quantum information applications. Suitable emitters need to generate photons deterministically and at fast repetition rates, with highest degrees of single-photon purity, entanglement and indistinguishability. Semiconductor quantum dots are among the leading candidates for this task, offering entangled-photon pair emission on-demand, challenging current state-of-the-art sources based on the probabilistic spontaneous parametric down-conversion (SPDC). Unfortunately, their susceptibility to perturbations from the solid-state environment significantly affects the photon coherence and entanglement degree. Furthermore, most quantum dot types suffer from poor wavelength control and emitter yield, due to a random growth process. This thesis investigates the emerging family of GaAs/AlGaAs quantum dots obtained by in-situ Al droplet etching and nanohole infilling. Particular focus is laid on the interplay of growth parameters, quantum dot morphology and optical properties. An unprecedented emission wavelength control with distributions as narrow as ± 1 nm is achieved, using four independent growth parameters: The GaAs infilling amount, the deposition sequence, the migration time and the Al concentration in the barrier material. This enables the generation of large emitter ensembles tailored to match the optical transitions of rubidium, a leading quantum memory candidate. The photon coherence is enhanced by an optimized As flux during the growth process using the GaAs surface reconstruction. With these improvements, we demonstrate for the first time two-photon interference from separate, frequency-stabilized quantum dots using a rubidium-based Faraday filter as frequency reference. Two-photon resonant excitation of the biexciton state is employed for the coherent and deterministic generation of photon pairs with negligible multi-photon emission probability. The GaAs/AlGaAs quantum dots exhibit a very small average fine structure of (4.8 ±2.4) µeV and short average radiative lifetimes of 200 ps, enabling entanglement fidelities up to F = 0.94, which are among the highest reported for any entangled-photon source to date. Furthermore, almost all fabricated emitters on a single wafer exhibit fidelities beyond the classical limit - without any post-growth tuning. By embedding the quantum dots into a broadband-optical antenna we enhance the photon collection efficiency significantly without impairing the high degrees of entanglement. Thus, for the first time, quantum dots are able to compete with SPDC sources, paving the way towards the realization of a semiconductor-based quantum repeater - among many other key enabling quantum photonic elements.:Contents List of Figures ix List of Tables xiii 1 Introduction 1 1.1 Researchmotivation ...................1 1.1.1 Structure of this thesis ................. 3 1.2 Applications based on entangled photons ............. 4 1.2.1 Quantum bits ...................4 1.2.2 Quantum key distribution ................ 5 1.2.3 Qubit teleportation .................. 7 1.2.4 Teleportation of entanglement ..............9 1.2.5 The photonic quantumrepeater .............. 10 1.3 Generation of entangled photons ...............12 1.3.1 The ideal entangled-photon source ............. 12 1.3.2 Non-deterministic photon sources ............. 13 1.3.3 Deterministic photon sources ..............14 2 Fundamentals 17 2.1 Semiconductor quantumdots ................17 2.1.1 Introduction to semiconductor quantum dots .......... 17 2.1.2 Formation of confined excitonic states ............ 19 2.1.3 Energy hierarchy of excitonic states ............. 21 2.2 Entangled photons from semiconductor quantumdots ......... 22 2.2.1 The concept of entanglement ............... 22 2.2.2 Polarization-entangled photon pairs fromthe biexciton radiative decay .. 23 2.2.3 Origin and impact of the exciton fine structure splitting ....... 25 2.2.4 Impact of spin-scattering, dephasing and background photons on the degree of entanglement ..................29 2.3 Quantum dot entangled-photon sources - State of the art ........32 2.4 Exciton radiative lifetime .................. 34 2.4.1 The concept of radiative lifetime .............. 34 2.4.2 Measurement of the radiative lifetime ............35 2.5 Single-photon purity ...................37 2.5.1 Photon number distributions ............... 37 2.5.2 Second-order correlation function .............38 2.5.3 Measurement of the second-order correlation function ....... 40 2.6 Measurement of entanglement ................42 2.6.1 Quantum state tomography ...............43 2.7 Photon coherence and spectral linewidth .............46 2.7.1 The concept of coherence ................ 46 2.7.2 First-order coherence ................. 46 2.7.3 Relation between coherence and spectral linewidth ........ 49 2.7.4 homogeneous vs. inhomogeneous broadening in single quantumdots ..50 2.8 Photon indistinguishability .................51 2.8.1 Hong-Ou-Mandel interference ..............51 2.8.2 Hong-Ou-Mandel interference between photons fromseparate sources .. 52 2.8.3 The Bell state measurement with linear optics .......... 53 3 Experimentalmethods 55 3.1 The GaAs and AlAs material system ............... 55 3.2 Molecular beam epitaxy ..................56 3.2.1 The Concept of molecular beam epitaxy ...........56 3.2.2 Layout and components of the III-V Omicron MBE ........58 3.2.3 Growth parameters .................. 59 3.2.4 Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) ........ 60 3.2.5 Growth rate determination using RHEED oscillations .......61 3.3 Optical setups .....................63 4 Results 67 4.1 Growth of GaAs/AlGaAs quantum dots by in-situ Al droplet etching .....68 4.1.1 Motivation for the study of GaAs / AlGaAs quantum dots ......68 4.1.2 GaAs / AlGaAs quantum dot growth process ..........69 4.1.3 Interplay between growth parameters, quantumdot morphology and optical properties ................. 71 4.1.4 Nanohole morphology and quantumdot formation ........ 73 4.1.5 Optical characterization ................75 4.1.6 Deterministic wavelength control .............77 4.1.7 Photon coherence and radiative lifetime ...........84 4.1.8 Decoherence processes in semiconductor quantum dots ......86 4.1.9 Chamber conditioning and growth process optimization ......87 4.1.10 Arsenic flux calibration using the GaAs surface reconstruction ..... 88 4.1.11 Enhanced photon coherence after growth process adjustments ....92 4.2 Two-photon interference from frequency-stabilized GaAs/AlGaAs quantum dots .................94 4.2.1 Frequency tuning of semiconductor quantumdots ........95 4.2.2 Experimental setup .................. 95 4.2.3 Optical characterization of the separate GaAs/AlGaAs quantum dots ... 98 4.2.4 Faraday anomalous dispersion optical filter and frequency feedback ... 99 4.2.5 Two-photon interference between remote, frequency-stabilized quantum dots 100 4.3 Solid-state ensemble of highly entangled photon sources at rubidiumatomic transitions ........................102 4.3.1 Fine-structure splitting ................103 4.3.2 Resonant excitation of the biexciton state ...........105 4.3.3 Single photon purity and radiative lifetime ........... 107 4.3.4 Radiative lifetime of GaAs/AlGaAs quantumdots - comparison to other quantumdot types ...................108 4.3.5 Degree of entanglement ................109 4.3.6 Highly-efficient extraction of the obtained entangled photons ..... 116 5 Conclusions 119 5.1 Summary ....................... 119 5.2 Discussion and outlook ..................122 Bibliography 127 Publications and scientific presentations 150 Acknowledgments 154 Selbstständigkeitserklärung 157 Curriculum vitae 157

In der vorliegenden Arbeit werden die optischen Eigenschaften von dünnen PTCDA und TiOPc Schichten untersucht. Dies wurde mit der Kombination der Methoden der Molekularstrahlepitaxie (OMBE), der differentiellen Reflexionsspektroskopie (DRS) und Photolumineszenzmessungen möglich. Dabei steht der Übergang vom Einzelmolekül zum molekularen Festkörper im Mittelpunkt. Der realisierte optische Aufbau ermöglicht es, die optischen Eigenschaften von molekularen Sub- und Multilagen während der Schichtabscheidung im Ultrahochvakuum (UHV) zu bestimmen. Eine Strukturuntersuchung kann so unmittelbar darauf im UHV durchgeführt werden, ohne Umordnungsprozesse durch einen Probe-Luft-Kontakt zu riskieren. In dieser Arbeit wurden PTCDA-Schichten auf Muskovit-Glimmer(0001) und auf Au(100) untersucht. Auf Glimmer wird sehr gut ausgeprägtes Lagenwachstum gefunden, die Moleküle bilden auf dem schwach wechselwirkenden Substrat hochgeordnete epitaktische Filme. Dies ermöglichte für PTCDA, als quasi-eindimensionaler Molekülkristall, die optische Charakterisierung von Monomeren, Stapel-Dimeren und -Oligomeren während des Filmwachstums mittels DRS und Photolumineszenzmessungen. Die DRS-Messungen zeigen, daß die bekannten Festkörpereigenschaften schon bei Schichtdicken in der Größenordnung von 3-4 Gitterkonstanten ausgeprägt sind. Bis zu diesen Dicken sind die wesentlichen Änderungen in den optischen Eigenschaften zu beobachten. Ausgehend von Monomer-typischen Spektren entwickeln sich in dieser Dickenskale bereits alle Charakteristika der Festkörperspektren, wobei der Monomer-Dimerübergang die gravierendsten spektralen Änderungen hervorruft. Diese überraschende Tatsache war von den gängigen Theorien so nicht zu erwarten und ist Beleg für eine starke Wechselwirkung zwischen den dicht gepackten Molekülen. Steigen die Dimensionen des Films weiter, gibt es nur noch marginale Änderungen, die sich hauptsächlich in spektralen Verschiebungen äußern. Diese "finite-size" Effekte sind mit gängigen Theorien der Delokalisation der molekularen Anregung verträglich. Die Größe der Verschiebungen deutet jedoch darauf hin, daß gestalt- und dickenabhängige dielektrische Effekte gegenüber Delokalisierung und Confinement von Excitonen dominieren. Die veränderte Substratwechselwirkung auf der Au(100)-Oberfläche zeigt sich sowohl in verändertem Filmwachstum als auch abweichenden optischen Eigenschaften. Es wurde beobachtet, daß sich die Einflüsse durch die Substratbindung auf der Längenskala von nur einer Gitterkonstanten auswirken. Die PTCDA-Lagen, die auf dieser hybridisierten Grenzschichtlage wachsen, haben bereits die vom ungestörten System bekannten Eigenschaften. Da auf der Goldoberfläche mit zunehmender Schichtdicke das Inselwachstum (Stranski-Krastanov-Wachstum) überwiegt, verwischen die schichtabhängigen spektralen Änderungen zusehends. Für TiOPc auf Glimmer(0001) wurde bei Raumtemperatur amorphes Wachstum beobachtet, mit weniger gravierenden spektralen Änderungen. Jedoch sind auch in diesem System große dickenabhängige Verschiebungen in den Spektren festzustellen, die wie im Fall von PTCDA-Schichten hauptsächlich dielektrischen Effekten zugerechnet werden können. In TiOPc/PTCDA-Heteroschichten auf Glimmer konnte der Energietransfer vom PTCDA zum TiOPc auf molekularer Ebene, durch Löschung der PTCDA-Lumineszenz und anschließender sensibilisierter Emission des TiOPc, nachgewiesen werden. Dabei wurde bei sehr kleinen TiOPc-Schichtdicken die Emission von TiOPc-Monomeren beobachtet. Zusätzlich wurde eine dem Anion TiOPc- zuzurechnende Emission, als Indiz einer Ladungstrennung auf molekularer Ebene festgestellt. Bei größeren TiOPc-Schichtdicken tritt Exciplexemission auf, als Beleg für die starke Molekül-Molekül-Wechselwirkung an der Grenzfläche. Bei dickeren Schichten wird mit zunehmender Aggregation der TiOPc-Moleküle, die Lumineszenzausbeute durch Öffnung einer Reihe von nichtstrahlenden Rekombinationsmöglichkeiten, wie auch bei PTCDA beobachtet, geringer.

Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie über das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die gemessenen Seebeck Koeffizienten und Lochtransport Eigenschaften von p‑Typ Oxiden, eine Materialklasse welche die optische Transparenz und die einstellbare Leitfähigkeit verbindet. Insbesondere, Nickeloxid (NiO) und Zinnmonoxid (SnO) wurden mittels plasmaunterstützter MBE unter Einsatz von einer Metall‑Effusionszelle und einem Sauerstoffplasma gewachsen. Für das NiO Wachstum wurden vor allem die Wachstumsgrenzen bei hohen Temperaturen festgelegt, welche von der Substratstabilität im Falle von Magnesiumoxid und Galliumnitrid abhängen. Es wird die Möglichkeit der Qualitätsbewertung mittels Ramanspektroskopie für Natriumchlorid-Strukturen gezeigt. Untersuchung der NiO Dotierung durch Oberflächen-Akzeptoren und der damit verbundenen Oberflächen‑Loch‑Anreicherungsschicht offenbart eine neue Dotierungsmöglichkeit für p‑leitende Oxide im Allgemeinen. Die metastabile Phase des SnO wird mittels PAMBE unter Verwendung bekannter Wachstumskinetik von Zinndioxid und verschiedener in‑situ Methoden stabilisiert, die anwendungsrelevante thermische Stabilität wird untersucht. Anschließende ex‑situ Charakterisierungen durch XRD und Ramanspektroskopie identifizieren das kleine Wachstumsfenster für das epitaktische Wachstum von SnO. Elektrische Messungen bestätigen die p‑Typ Ladungsträger mit vielversprechenden Löcherbeweglichkeiten welche auch für Hall Messungen zugänglich sind. Temperaturabhängige Hall Messungen zeigen einen bandähnlichen Transport welcher auf eine hohe Qualität der gewachsenen Schichten hindeutet. Die Funktionalität der gewachsenen Schichten wird durch verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Zum Beispiel werden pn‑Heteroübergänge wurden durch das heteroepitaktische Wachstum der SnO Schichten auf einem Galliumoxid-Substrat erlangt. Die ersten bisher berichteten SnO-basierten pn‑Übergänge mit einem Idealitätsfaktor unter zwei wurden erreicht. / This thesis presents a comprehensive study on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) and the measured Seebeck coefficients and hole transport properties of p‑type oxides, a material class which combines transparency and tunable conductivity. Specifically, Nickel oxide (NiO) and tin monoxide (SnO) were grown by plasma‑assisted MBE using a metal effusion cell and an oxygen plasma. For NiO growth, the focus lies on high temperature growth limits which were determined by the substrate stability of magnesium oxide and gallium nitride. Quality evaluation by Raman spectroscopy for rock‑salt crystal structures is demonstrated. Investigations of NiO doping by surface acceptors and the related surface hole accumulation layer reveal a new doping possibility for p‑type oxides in general. The meta‑stable SnO is stabilized by PAMBE utilizing known growth kinetics of tin dioxide and various in‑situ methods, its application-relevant thermal stability is investigated. Following ex‑situ characterizations by XRD and Raman spectroscopy identify secondary phases and a small growth window for the epitaxial growth of SnO. Electrical measurements confirm the p‑type carriers with promising hole mobilities accessible to Hall measurements. Temperature dependent Hall measurements show band‑like transport indicating a high quality of the grown layers. The functionality of the grown layers is proven by various applications. For example, pn‑heterojunctions were achieved by heteroepitaxial growth of the SnO layers on gallium oxide substrates. The first reported SnO based pn‑junction with an ideality factor below two is accomplished.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum von BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) Schichten mittels Plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE). Für die Realisierung der BSO/LIO Heterostruktur müssen zuvor Wege für ein stabiles Herstellungsverfahren sowohl der BSO als auch der LIO Schichten gefunden werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit den Herausforderungen der Suboxidbildung und Suboxidquellen. Das Wissen um Suboxide ist alt, aber es wurde bisher nicht stark in der Anwendung der Oxid-MBE berücksichtig oder benutzt. Engagierte Studien werden in dieser Arbeit durchgeführt, die zeigen, dass bei Suboxidquellen wie z.B. der Mischung aus SnO2 und Sn sich die Einbaukinetik gegenüber einer elementaren Quelle (z.B. Zinn) vereinfacht. Die in dieser Arbeit herausgearbeitete Effizienz der Mischquellen hat bereits dazu geführt, dass weitere Oxide wie Ga2O3 und SnO mit Hilfe von Suboxid-MBE gewachsen wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die entwickelten Quellen genutzt und die BSO und LIO Wachstumsparameter bestimmt, sowie deren Abhängigkeit im Kontext von thermodynamischen Ellinghamdiagrammen diskutiert. Die Besonderheit beim BSO Wachstum liegt dabei auf der Verwendung einer Mischquelle bestehend aus SnO2 + Sn wodurch SnO Suboxid gebildet wird, welches zum Wachstum beiträgt. Ein zwei-dimensionalen Elektronengas an der Grenzfläche der BSO/LIO Heterostruktur wird realisiert durch gezielte Grenzflächenterminierung mit Hilfe einer Zellverschlusssequenz. Durch die Kontrolle der Grenzflächenterminierung im Monolagenbereich können Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich um 3 - 5 × 1013 cm−2 und Beweglichkeiten μ > 100 cm2/Vs zuverlässig und reproduzierbar realisiert werden. / The present work investigates the growth of BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) heterostructures using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE). Prior to the realization of the BSO/LIO heterostructure, ways for stable and reliable growth of both BSO and LIO layers have to be developed. Therefore, the first part of this thesis addresses the challenges of suboxide formation and suboxide sources. The knowledge about suboxides is rather old, however, so far it is barely considered or used in oxide MBE. Dedicated studies performed in this thesis show that for suboxide sources such as a mixture of SnO2 and Sn the growth kinetics simplify compared to an elemental source (e.g., Sn). The efficiency of mixed sources, that is worked out in this thesis, already led to the growth of other oxides such as Ga2O3 or SnO using suboxide MBE. In the second part of this thesis growth parameters for BSO and LIO, using the developed sources, are determined and their dependence in the context of thermodynamic Ellingham diagrams is discussed. The growth of BSO is realized by the use of a mixed source consisting of SnO2 + Sn, which forms SnO suboxide that is contributed to the growth. A two-dimensional electron gas at the interface of the BSO/LIO heterostructure is realized by engineering the interface termination using a controlled cell shutter sequence. By controlling the interface termination down to mono layer precision, charge carrier densities in the range of 3 - 5 × 1013 cm−2 and mobilities μ > 100 cm2/Vs can be achieved reliably and reproducibly.

In this report the influence of the growth conditions on the surface morphology of AlGaN/GaN heterostructures grown on sapphire-based and bulk GaN substrates is nondestructively investigated with focus on the decoration of defects and the surface roughness. Under Ga-rich conditions specific types of dislocations are unintentionally decorated with shallow hillocks. In contrast, under Ga-lean conditions deep pits are inherently formed at these defect sites. The structural data show that the dislocation density of the substrate sets the limit for the density of dislocation-mediated surface structures after MBE overgrowth and no noticeable amount of surface defects is introduced during the MBE procedure. Moreover, the transfer of crystallographic information, e.g. the miscut of the substrate to the overgrown structure, is confirmed. The combination of our MBE overgrowth with the employed surface morphology analysis by atomic force microscopy (AFM) provides a unique possibility for a nondestructive, retrospective analysis of the original substrate defect density prior to device processing.

Increasing interest in an effciency enhancement of existing energy sources led to an extended research in the field of thermoelectrics. Especially skutterudites with their high power factor (electric conductivity times Seebeck coefficient squared) are suitable thermoelectric materials. However, a further improvement of their thermoelectric properties is necessary. The relatively high thermal conductivity can be decreased by introducing loosely bound guest ions, whereas atom substitution or nanostructuring (as thin films) could yield an increased power factor. The present work proves the feasibility to deposit single phase skutterudite thin films by MBE technique. In this regard CoSby and FeSby film series were deposited with three different methods: i) codeposition at elevated temperatures, ii) codeposition at room temperature followed by post-annealing, and iii) modulated elemental reactant method. The structural and thermoelectric properties of these films were investigated by taking the thermal stability of the film and the substrate properties into account. Compared to the stoichiometric Sb content of skutterudites of 75 at.%, a small excess of Sb is necessary for achieving single phase skutterudite films. It was found, that the deposited single phase CoSb3 films reveal bipolar conduction (and therefore a low Seebeck coefficient), whereas FeSb3 films show p-type conduction and very promising power factors at room temperature. The need of substrates with a low thermal conductivity and a suitable thermal expansion coefficient is also demonstrated. A high thermal conductivity influences the measurements of the Seebeck coefficient and the obtained values will be underestimated by thermal shortening of the film by the substrate. If the thermal expansion coefficient of film and substrate differ strongly from each other, crack formation at the film surface was observed. Furthermore, the realization of controlled doping by substitution as well as the incorporation of guest ions was successfully shown. Hence, this work is a good starting point for designing skutterudite based thin film structures. Two successful examples for such structures are given: i) a thickness series, where a strong decrease of the resistivity was observed for films with a thickness lower than 10nm, and ii) a FexCo1-xSb3 gradient film, for which the gradient was maintained even at an annealing temperature of 400°C.:Contents 1 Introduction 2 Nanostructured thermoelectric materials 2.1 Thermoelectric materials and ZT 2.2 Recent developments in improving ZT in thin films 3 Thermoelectric transport theory 3.1 Electronic transport coefficients 3.2 Lattice thermal conductivity 4 Skutterudites as promising thermoelectric material 4.1 CoSb3 4.1.1 Structural properties of skutterudites 4.1.2 Band structure of CoSb3 and density of states 4.1.3 Thermoelectric properties of CoSb3 4.1.4 Synthesis of CoSb3 thin films 4.2 FeSb3 4.2.1 Structural and thermoelectric properties of FeSb3 thin films 4.2.2 Synthesis of FeSb3 thin films 5 Experimental methods 5.1 Basic methods for structural characterization 5.2 Electric characterization: Resistivity and Hall measurements using van der Pauw geometry 5.3 Thermoelectric characterization (Seebeck coefficient) 5.4 Thermal characterization methods 6 Deposition of skutterudite thin films 6.1 Deposition chamber and deposition parameters 6.2 Deposition methods 6.3 Composition control of skutterudite films 7 Control of structural properties by the used deposition method 7.1 Structural properties of CoSb3 thin films 7.1.1 Crystallization characteristics of CoSb3 films 7.1.2 Comparison of films deposited with different deposition methods 7.1.3 Influence of different deposition parameters on the film properties 7.2 Structural properties of FeSb3 thin films 7.2.1 Crystallization behaviour 7.2.2 Structural properties of post-annealed Fe-Sb films prepared by codeposition 7.2.3 Influence of the heating rate on the film properties 8 CoSb3 and FeSb3 composition series 8.1 CoSby composition series 8.1.1 Films deposited at elevated temperatures 8.1.2 Annealed films 8.2 FeSby composition series 9 Influence of various substrates on the film properties 9.1 Substrate influence on the film morphology 9.2 Substrate influence on thermoelectric properties and measurements 10 FexCo1-xSb3 - controlled doping by substitution of Co with Fe 10.1 Properties of codeposited FexCo1-xSb3 films 10.2 Properties of FexCo1-xSb3 films deposited via MERM 11 Filled CoSb3 thin films 12 Examples for nanostructured thin film approaches 12.1 CoSb3 thickness series 12.2 FexCo1-xSb3 gradient films 13 Summary and Outlook

Das Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Ferromagnet-Halbleiter-Nanodraht-Strukturen in einer Kern-Hülle-Geometrie. Diese wird mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Verwendung von GaAs und Fe3Si ausgeführt. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, ob sich mit derartigen Strukturen Magnetisierungen senkrecht zum Substrat realisieren lassen. Eine solche Konfiguration der Magnetisierung innerhalb bestimmter Strukturen ist wünschenswert, denn sie bildet die Grundlage einiger zukunftsweisender spintronischer Bauteilkonzepte. Aufgrund der Formanisotropie dünner Schichten ist diese Konfiguration der Magnetisierung in planaren Strukturen nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen. Bildet sich hingegen in den Nanodraht-Hüllen eine Stabmagnetisierung aus, so führt dies direkt zur gewünschten senkrechten Magnetisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Epitaxie-Prozess vorgestellt. Abhängig von den Wachstumsparametern können Hüllen mit glatten Seitenflachen, einer hohen Kristallordnung, ebenen Grenzflachen zum GaAs-Kern und epitaktischer Ausrichtung realisiert werden. Der zweite Teil behandelt die magnetischen Eigenschaften der Nanodrahte. Ensemble-Charakterisierungen sind hierbei in diesem Fall nicht geeignet. Einzeldraht-Messungen hingegen zeigen, dass sich in den Nanodraht-Hüllen wie erhofft eine Stabmagnetisierung ausbildet. Der dritte und letzte Teil dieser Dissertation umfasst die Einführung mehrerer zukunftsweisender Bauteilkonzepte, basierend auf den speziellen magnetischen Eigenschaften der hier vorgestellten Nanodrahte. Dazu gehören dreidimensionale Speicherarchitekturen mit bislang unerreichten Speicherkapazitäten und zirkular polarisiertes Licht emittierende Leuchtdioden für einen enorm schnellen Spininformations-Transfer zur Intrachip-Kommunikation. / The subject of the present work is the synthesis of ferromagnet-semiconductor coreshell nanowires. To realize such structures molecular beam epitaxy has been employed. For the investigation the well-suited materials systems GaAs and Fe3Si are used. Within the framework of this thesis the open question whether a magnetization in the nanowires that is perpendicular to the nanowire’s substrate can be realized is of special interest. Such a configuration of the magnetization is desirable, because some spintronic device concepts rely on magnetizations perpendicular to the substrate. In general, with the exception of very limited and highly specific materials, the shape anisotropy of thin magnetic layers causes the magnetic moments to orient along an in-plane direction and therefore, perpendicular configurations of the magnetization do not occur at equilibrium conditions. In contrast, magnetic nanowires with moments pointing along the wire axis directly provide the desired out-of plane magnetization. In the first part, the epitaxial procedure to realize the core-shell nanowires is described. Nanowires with smooth side walls, smooth interface to the GaAs core, a fairly high structural ordering and an epitaxial orientation relationship are produced. In the second part, the magnetic properties of the core-shell nanowires are analyzed. It is shown that characterizations of an ensemble of wires cannot resolve magnetic properties of the shells. Investigations on single nanowires however revealed that the magnetization in the shells is indeed as desired oriented along the wires. Several innovative device concepts based on the specific magnetic properties of these core-shell nanowires are finally introduced in the third part of this work. Within these concepts three-dimensional magnetic recording devices with unsurpassed data storage capacities and circular polarized light emitting diodes for tremendously fast spin information transfer for intrachip communication can be realized.