Zugl.: Regensburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden GaInP/GaAs/GaInNAs 3J-Mehrfachsolarzellen in einem MBE/MOVPE-Hybridprozess hergestellt und untersucht. Der verwendete Hybridprozess, bei dem nur die GaInNAs-Teilsolarzelle mittels MBE hergestellt wird, kombiniert diese beiden Technologien und setzt sie entsprechend ihrer jeweiligen Vorteile ein. Die gezeigten Ergebnisse bestätigen grundsätzlich die Machbarkeit des Hybridprozesses, denn eine Degradation des mittels MBE hergestellten GaInNAs-Materials durch die Atmosphäre im MOVPE-Reaktor konnte nicht festgestellt werden. Dieses Resultat wurde von im Hybridprozess hergestellten 3J-Mehrfachsolarzellen, die GaInNAs-Teilsolarzellen enthalten, bekräftigt. Die offene Klemmspannung einer gezeigten Solarzelle erreichte bereits 2,59 V (AM1.5d) bzw. 2,48 V (AM0) und liegt damit jeweils über einer als Referenz hergestellten 2J-Mehrfachsolarzelle ohne GaInNAs. Die mittlere interne Quanteneffizienz der enthaltenen GaInNAs-Teilsolarzelle liegt bei 79 %. Die Berechnungen auf Grundlage dieser Effizienz unter Beleuchtung mit AM1.5d und unter Beleuchtung mit AM0 zeigten, dass nicht die enthaltene GaInNAs-Teilsolarzelle Strom limitierend wirkt, sondern die mittels MOVPE gewachsene GaInP-Teilsolarzelle. Die experimentell bestimmte Kurzschlussstromdichte der hergestellten Mehrfachsolarzelle ist wegen dieser Limitierung etwas geringer als die der 2J-Referenzsolarzelle. Der MOVPE-Überwachsvorgang bietet zwar noch weiteres Verbesserungspotential, aber es ist naheliegend, dass der Anwachsvorgang auf dem MBE-Material soweit optimiert werden kann, dass die aufgewachsenen GaInP- und GaAs-Schichten frei von Degradation bleiben. Damit bietet der Hybridprozess perspektivisch das Potential günstigere Produktionskosten in der Epitaxie von Mehrfachsolarzellen mit verdünnten Nitriden zu erreichen als es ausschließlich mittels MBE möglich ist. Im Vorfeld zur Herstellung der 3J-Mehrfachsolarzellen wurden umfassende Optimierungsarbeiten des MBE-Prozesses zur Herstellung der GaInNAs-Teilsolarzelle durchgeführt. So wurde insbesondere festgestellt, dass das As/III-Verhältnis während dem Wachstum einen entscheidenden Einfluss auf die elektrisch aktive Dotierung des GaInNAs-Materials besitzt. Die elektrisch aktive Dotierung wiederum beeinflusst sehr stark die Ausdehnung der Raumladungszone in den als p-i-n-Struktur hergestellten GaInNAs-Solarzellen und hat damit einen direkten Einfluss auf deren Stromerzeugung. In der Tendenz zeigte sich eine Zunahme der Stromerzeugung der GaInNAs-Teilsolarzellen bei einer gleichzeitigen Abnahme ihrer offenen Klemmspannung, sobald das As/III-Verhältnis während des Wachstums reduziert wurde. Durch eine sehr exakte Kalibration des As/III-Verhältnisses konnte ein bestmöglicher Kompromiss zwischen offener Klemmspannung und Stromerzeugung gefunden werden. Eine gezeigte GaInNAs-Einfachsolarzelle erreichte eine mittlere interne Quanteneffizienz von 88 % und eine offene Klemmspannung von 341 mV (AM1.5d) bzw. 351 mV (AM0). Berechnungen auf Grundlage der Quanteneffizienz ergaben, dass diese Solarzelle integriert in eine 3J-Mehrfachsolarzelle unter dem Beleuchtungsspektrum AM1.5g eine Stromdichte von 14,2 mA/cm^2 und unter AM0 von 17,6 mA/cm^2 erzeugen würde. Diese Stromdichten sind so hoch, dass diese GaInNAs-Solarzelle die Stromproduktion der GaInP- und GaAs-Teilsolarzellen in einer gängigen Mehrfachsolarzelle erreicht und keine Ladungsträgerverluste auftreten würden. Aufgrund ihrer höheren offenen Klemmspannung gegenüber einer Ge-Teilsolarzelle bietet diese GaInNAs-Teilsolarzelle das Potential die Effizienz der Mehrfachsolarzelle zu steigern. Messungen der Dotierkonzentration in der GaInNAs-Schicht dieser Solarzelle ergaben extrem geringe Werte im Bereich von 1x10^14 1/cm^3 bis 1x10^15 1/cm^3 (p-Leitung). In Ergänzung zu den Optimierungen des As/III-Verhältnisses konnte gezeigt werden, dass sich ein Übergang von p- zu n-Leitung im GaInNAs mit der Verringerung des As/III-Verhältnisses erzeugen lässt. Nahe des Übergangsbereiches wurden sehr geringe Dotierungen erreicht, die sich durch eine hohe Stromproduktion aufgrund der Ausbildung einer extrem breiten Verarmungszone gezeigt haben. Durch eine reduzierte offene Klemmspannung der bei relativ geringen As/III-Verhältnissen hergestellten Solarzellen mit n-leitendem GaInNAs konnte auf das Vorhandensein von elektrisch aktiven Defekten geschlossen werden. Generell konnten die gemessenen elektrisch aktiven Dotierkonzentrationen im Bereich von üblicherweise 10^16 1/cm^3 mit hoher Wahrscheinlichkeit auf elektrisch aktive Kristalldefekte im GaInNAs zurückgeführt werden. Eine Kontamination des Materials mit Kohlenstoffatomen in dieser Größenordnung wurde ausgeschlossen. / In scope of this work GaInP/GaAs/GaInNAs 3J multi-junction solar cells have been produced by a MBE/MOVPE hybrid process and were investigated. The applied hybrid process, which only produces the GaInNAs sub cell by means of MBE, combines both technologies and uses them according to their advantages. The shown results confirm the feasibility of the hybrid process in principle, because a degradation of the GaInNAs material grown by MBE could not be found. This result was reconfirmed by 3J multi-junction solar cells, which contain GaInNAs sub cells. The open circuit voltage of one shown solar cell already reached 2.59 V (AM1.5d) and 2.48 V (AM0), respecitvely and outperformed in terms of voltage a produced 2J multi-junction solar cell without GaInNAs. The averaged internal quantum efficiency of the included GaInNAs sub cell reached 79 \%. The calculations based on this efficiency under illumantion with AM1.5d and under illumination with AM0 showed that not the included GaInNAs sub cell is limiting the current but the by means of MOVPE grown GaInP sub cell. The short current density under experimental conditions is somewhat lower than the one of the 2J reference solar cell due to this limitation. The MOVPE overgrowth indeed offers further potential for optimization, however, it is plausible that the initial growth procedure running on the MBE material can be optimized far enough to the point that the overgrown GaInP and GaAs layer remain degradation free. Thereby, the hybrid process offers perspectively the potential to reach lower production costs in the epitaxy of multi-junction solar cells including diluted nitrides as it is possible with the MBE method only. \newline Previous to the production of the 3J multi-junction solar cells comprehensive optimizations of the MBE process to produce the GaInNAs sub cell have been performed. First and foremost it was found that the As/III ratio during the growth has a critical influence on the electrical active doping of the GaInNAs material. However, the electrical active doping affects the extension of the depletion layer in the as p-i-n structure produced GaInNAs solar cells very strongly, which is directly related to their current generation. In general it was found that the increase of the current generation of the GaInNAs sub cell comes along with a decrease of its open circuit voltage as soon as the As/III ratio during the growth was lowered. Due to a very precise calibration of the As/III ratio a best possible compromise between the open circuit voltage and the current generation was found. A shown GaInNAs single-junction solar cell reached an averaged internal quantum efficiency of 88 \% and an open circuit voltage of 341 mV (AM1.5d) and 351 mV (AM0), respectively. Calculations based on the quantum efficiency showed that this solar cell integrated in a 3J multi-junction solar cell would produce a current density of 14.2 mA/cm$^{2}$ under the illumination spectrum AM1.5g and a current density of 17.6 mA/cm$^{2}$ under AM0. With such high current densities the GaInNAs solar cell reaches the current generation of the GaInP and GaAs sub cells in a current multi-junction solar cell and no charge carrier loss would occur. Due to its increased open circuit voltage, compared to a Ge sub cell, this GaInNAs sub cell indeed offers the potential to increase the efficiency of the multi-junction solar cell. Doping concentration measurements of the GaInNAs layer showed extremly low doping densities in the range between 1x10$^{14}$ 1/cm$^{3}$ and 1x10$^{15}$ 1/cm$^{3}$ (p-conductivity). In addition to the optimization of the As/III ratio we were able to show that a transition of p- to n-type conductivity of the GaInNAs material by reducing the As/III ratio can be induced. Close to the transition region a very low doping was achieved indicated by a high current generation due to the formation of an extreme broad depletion zone. Finding that the open circuit voltage of solar cells with n-type GaInNAs produced with relatively low As/III ratios is reduced, proved the existance of electrical active defects. So we can state, that the measured electrical active doping concentration in the range of typically 1x10$^{16}$ 1/cm$^{3}$ can be traced back to electrical active crystal defects in the GaInNAs layers with high probability. A contamination of the material with carbon atoms in this range was excluded. \newline

Als erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine höhere Güte der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der Ätzprozess der Türmchen wurde so optimiert, um möglichst glatte und senkrechte Seitenwände der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenwänden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie die Wachstumsparameter der einzelnen Halbleiterschichten optimiert. Somit konnte der Q-Faktor der Resonatoren zum Beispiel durch die Verwendung von Spiegeln mit einer höheren Reflektivität und einem angepassten V/III-Verhältnis bei den verschiedenen Epitaxieschichten weiter erhöht werden. Für einen aktiven Mikroresonator mit 26 (30) Spiegelpaaren im oberen (unteren) DBR und einem Durchmesser von 4 µm wurden somit Rekordwerte für den Q-Faktor von ca. 90000 erreicht. Parallel hierzu wurden Analysen zum Wachstum von selbstorganisierten GaInAs-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten angestellt. Hierbei war sowohl die Entstehung der dreidimensionalen Wachstumsinseln als auch deren optische Eigenschaften Gegenstand der Untersuchungen. Die morphologischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde mittels Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert, womit die optischen Eigenschaften durch Photolumineszenz- und Photoreflexionsmessungen untersucht wurden. Die optischen und vor allem die geometrischen Eigenschaften der selbstorganisiert gewachsenen GaInAs-Quantenpunkte konnten entscheidend verbessert werden. Durch die Verwendung von einer gering verspannten Nukleationsschicht mit einem Indiumgehalt von 30 % konnte die Flächendichte der Quantenpunkte auf 6 - 9 x 10^9 cm^-2 verringert und ihre geometrischen Abmessungen auf typische Längen von 50 - 100 nm und Breiten von ca. 30 nm erhöht werden. Durch den reduzierten Indiumgehalt wird die Gitterfehlanpassung zwischen den Quantenpunkten und der umgebenden Matrix verkleinert. Die verringerte Verspannung beim Quantenpunktwachstum führt zu einer erhöhten Migrationslänge der abgeschiedenen Atome auf der Oberfläche, was wiederum zur Bildung von größeren Quantenpunkten mit geringerer Flächendichte führt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse über das MBE-Wachstum von Mikroresonatoren, ihre Prozessierung und das selbstorganisierte Inselwachstum von GaInAs auf GaAs als Basis für die Herstellung weiterer Proben verwendet. Es wurden nun beide Bereiche miteinander verknüpft und gering verspannte GaInAs-Quantenpunkte in die Mikroresonatoren eingewachsen. Die hohen Güten der realisierten Mikrokavitäten in Kombination mit Quantenpunkten mit vergrößerten Abmessungen und geringen Dichten machen diese Strukturen zu idealen Kandidaten für die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenelektrodynamik. Als Höhepunkt ermöglichten diese Strukturen zum ersten Mal den Nachweis einer starken Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in einem Halbleiter. Für den Fall der gering verspannten vergrößerten Quantenpunkte im Regime der starken Kopplung konnte eine Vakuum-Rabi-Aufspaltung von ca. 140 µeV zwischen der Resonatormode und dem Quantenpunkt-Exziton beobachtet werden. Durch die verbesserten Güten der Kavitäten konnte das Regime der starken Wechselwirkung ebenfalls für kleinere Quantenpunkte erreicht werden. Eine Rabi-Aufspaltung von ca. 60 µeV wurde zum Beispiel für kreisrunde GaInAs-Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 % und Durchmessern zwischen 20 und 25 nm gemessen. Das Regime der starken Kopplung ermöglicht es weiterhin, Rückschlüsse auf die Oszillatorstärke der eingewachsenen Quantenpunkte zu ziehen. So konnte zum Beispiel für die vergrößerten Quantenpunktstrukturen eine Oszillatorstärke von ca. 40 - 50 abgeschätzt werden. Dagegen weisen die leicht verkleinerten Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 % nur eine Oszillatorstärke von ca. 15 - 20 auf. Des Weiteren wurden für einen späteren elektrischen Betrieb der Bauteile dotierte Mikroresonatoren hergestellt. Die hohen Güten der dotierten Türmchen ermöglichten ebenso die Beobachtung von klaren quantenelektrodynamischen Effekten im elektrischen Betrieb. Die untersuchten elektrisch gepumpten Mikroresonatoren mit kleinen GaInAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht operierten im Regime der schwachen Kopplung und zeigten einen deutlichen Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von ca. 10 im Resonanzfall. Durch den Einsatz von vergrößerten GaInAs-Quantenpunkten konnte ebenfalls im elektrischen Betrieb das Regime der starken Wechselwirkung mit einer Rabi-Aufspaltung von 85 µeV erreicht werden. / At the beginning, we improved the three dimensional optical confinement of the micropillars. A higher Q factor could be achieved mainly due to a further development of the fabrication process. The etching for the pillars was optimized in order to obtain very smooth and vertical sidewalls of the resonators. This reduces the losses due to scattering at the sidewalls of the micropillars und improves their optical confinement. Furthermore, the sample design of the cavities as well as the growth parameters of every single semiconductor layer was optimized. Thus, the quality factor of the pillars could be increased by the use of higher reflectivity mirrors and a matched V/III ratio for the different epitaxial layers. Hence, a record quality factor of about 90000 was achieved for an active micropillar with 26 (30) mirror pairs in the top (bottom) DBR and a diameter of 4 µm. In parallel to this, we made studies on the growth of self-assembled GaInAs quantum dots on GaAs substrates. Here, the nucleation of three dimensional islands as well as their optical properties were object of the investigation. The morphological properties of the dots were analyzed by transmission and scanning electron microscopy, and the optical properties were investigated by photoluminscence and photoreflectance measurements. The optical and particularly the morphological properties of the self-assembled GaInAs quantum dots were essentially improved. Due to a low strain nucleation layer with an indium content of 30 %, the dot density could be reduced to 6 - 9 x 10^9 cm^-2 and their geometric dimensions were increased to typical lengths between 50 and 100 nm and widths of about 30 nm. The lattice mismatch between the quantum dots and the surrounding matrix is decreased due to the reduced indium content. The minimized strain during the dot growth leads to an enhanced migration length of the deposited atoms on the surface, which again leads to the formation of enlarged quantum dots with a reduced density. Finally, the obtained findings of the MBE growth of microcavities, their fabrication and the self-assembled island growth of GaInAs on GaAs were used for the realization of further samples. Both fields were now combined and low strain GaInAs quantum dots were embedded into the microresonators. The high quality factor of the realized cavities in combination with enlarged quantum dots with a low dot density make these structures ideal candidates for fundamental research in the field of cavity quantum electrodynamics. As a highlight, these structures allowed for the first time the observation of strong coupling between light and matter in a semiconductor. In case of the low strain quantum dots with enlarged dimensions in the strong coupling regime, a vacuum Rabi-splitting of about 140 µeV between the cavity mode and the exciton could be observed. Due to an improved optical confinement of the microresonators, we were able to reach the strong coupling regime also for smaller quantum dots. For example a Rabi-splitting of about 60 µeV was measured for circular GaInAs dots with an indium content of 43 % and diameters between 20 and 25 nm. The strong coupling regime furthermore allows the estimation of the oscillator strength of the embedded quantum dots. Thus we could conclude an oscillator strength of approximately 40 - 50 for the enlarged quantum dot structures. In contrast to that, the slightly smaller dots with an indium content of 43 % only show an oscillator strength of about 15 - 20. Furthermore, doped microcavities were realized with regard to electrically driven devices. The high quality of the doped pillars allowed us the observation of pronounced quantum electrodynamic effects also for electrically pumped structures. The investigated electrically driven mircocavities with embedded GaInAs quantum dots were operating in the weak coupling regime and showed a clear Purcell effect with a Purcell factor in resonance of about 10. Due to the use of enlarged GaInAs quantum dots, we were able to reach the strong coupling regime with a vacuum Rabi-splitting of 85 µeV also for electrically driven micropillars.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von niedrigdimensionalen Strukturen für den Einsatz als aktive Schicht in InP-Halbleiterlasern. Quantenpunktstrukturen als Lasermedium weisen gegenüber herkömmlichen Quantenfilmlasern einige Vorteile auf, wie beispielsweise geringe Schwellenstromdichten, breites Verstärkungsspektrum und geringe Temperatursensitivität der Emissionswellenlänge. Ziel dieser Arbeit ist es, diese speziellen Vorteile, die im GaAs-System größtenteils nachgewiesen sind, auch auf das InP-System zu übertragen, da dieses für die Telekommunikationswellenlänge 1.55 µm prädestiniert ist. Die vorgestellten Strukturen wurden mittels einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Anlage unter Verwendung der alternativen Gruppe-V-Precursor Tertiärbutylphosphin (TBP) und -arsin (TBA) hergestellt. Die Bildung der Quantenpunktstrukturen wurde zunächst an Hand von Teststrukturen optimiert. Scheidet man InAs auf einem InP(100)-Substrat ab, so bilden sich – anders als auf GaAs – keine runden InAs-Quantenpunkte, sondern unregelmäßige, strichförmige Strukturen mit einer klaren Vorzugsorientierung, sogenannte Dashes. Verschiedene Wachstumsparameter, wie die Menge an deponiertem InAs, der Strukturaufbau oder der Wachstumsmodus, lassen eine Beeinflussung der Emissionseigenschaften zu, die mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht wurden. So kann die Emissionswellenlänge der Dashes sehr genau und über einen großen Bereich zwischen 1.2 und 2.0 µm über die nominelle Dicke der Dash-Schicht festgelegt werden. Dieser Zusammenhang lässt sich auch nutzen, um durch die Kombination von Schichten unterschiedlicher Dash-Größe eine extreme Verbreiterung des Verstärkungsspektrums auf über 300 nm zu erzielen. Neben der Hauptanwendung als Telekommunikationslaser sind auch Einsatzmöglichkeiten in der Gassensorik für einen Wellenlängenbereich zwischen 1.8 und 2.0 µm denkbar. Dieser ist neben der Verwendung extrem dicker Schichten durch das Prinzip des migrationsunterstützten Wachstums (engl. migration enhanced epitaxy) oder durch die Einbettung der Dash-Schichten in einen InGaAs-Quantenfilm ("Dash-in-a-Well"-Struktur) realisierbar. Letzteres zieht eine starke Rotverschiebung um etwa 130 meV bei gleichzeitiger schmaler und intensiver Emission nach sich. Da die Dashes einige sehr interessante Eigenschaften aufweisen, wurde ihre Eignung als aktive Schicht eines InP-Halbleiterlasers untersucht. Zunächst wurden der genaue Schichtaufbau, speziell die Fernfeldcharakteristik, und die Wachstumsparameter optimiert. Ebenso wurde der Effekt eines nachträglichen Ausheilschritts diskutiert. Da die speziellen Vorteile der Quanten-Dash(QD)-Strukturen nur Relevanz haben, wenn auch ihre Grunddaten einem Quantenfilmlaser (QW-Laser) auf InP ebenbürtig sind, wurde besonderer Wert auf einen entsprechenden Vergleich gelegt. Dabei zeigt sich, dass die Effizienzen ebenso wie die Absorption der QD-Laser nahezu identisch mit QW-Lasern sind. Die Schwellenstromdichten weisen eine stärkere Abhängigkeit von der Länge des Laserresonators auf, was dazu führt, dass ab einer Länge von 1.2 mm QD-Laser geringere Werte zeigen. Die Temperaturabhängigkeit der Schwellenstromdichte, die sich in der charakteristischen Temperatur T0 äussert, zeigt dagegen für QD-Laser eine stärkere Sensitivität mit maximalen T0-Werten von knapp über 100 K. Betrachtet man das Emissionsspektrum der QD-Laser, so fällt die starke Blauverschiebung mit abnehmender Bauteillänge auf. Gleichzeitig zeigen diese Laser im Vergleich zu QW-Lasern eine deutlich größere Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge. Beide Eigenschaften haben ihre Ursache in der flachen Form des Verstärkungsspektrums. Zusätzlich wurden einige der an Hand der Teststrukturen gezeigten Dash-Eigenschaften auch an Laserstrukturen nachgewiesen. So lässt sich durch Variation der Dash-Schichtdicke von 5 auf 7.5 ML eine Verschiebung der Emissionswellenlänge um bis zu 230 nm realisieren, wobei dieses Verfahren damit noch nicht ausgereizt ist. Ebenso wurde auch ein Überlapp aus sechs jeweils verschieden dicken Dash-Schichten in eine Laserstruktur eingebaut. An Hand von Subschwellspektren wurde eine Verstärkungsbreite von etwa 220 nm nachgewiesen, die eine Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes durch eine einzige Laserstruktur erlauben würde. Aus Quanten-Dash-Material prozessierte Stegwellenleiter (RWG)-Laser weisen sehr vielversprechende Daten mit hohen Ausgangsleistungen bis 15 mW pro Facette und niedrigen Schwellenströmen auf. Damit schafft diese Arbeit die Grundvoraussetzungen, um InAs-Quanten-Dashes als echte Alternative zu herkömmlichen Quantenfilmen in InP-Halbleiterlasern zu etablieren. Besonders das breite Verstärkungsspektrum und die hohe Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge zeichnen dieses Material aus. / In this work the fabrication and characterisation of low-dimensional structures that can be used as active regions in InP semiconductor lasers are presented. Compared to conventional quantum well lasers quantum dot material shows some advantages like low threshold current density, broad gain spectrum and low temperature sensitivity of the emission wavelength. Most of these special advantages have already been demonstrated in the GaAs system and should be transferred to the InP system which is the material of choice for the telecommunication wavelength 1.55 µm. The presented structures were grown in a gas source molecular beam epitaxy system using the alternative group-V-precursors tertiarybutylphosphine (TBP) and tertiarybutylarsine (TBA). In a first step the formation of the quantum dot-like structures was optimised in test samples. When InAs is deposited on an InP(100) substrate unlike on GaAs there are no circular InAs quantum dots formed, but irregular dash-like structures with a preferred orientation. Growth parameters like the amount of InAs deposited, the design of the structure or the growth mode allow an influence on the emission properties which were investigated by photoluminescence (PL) spectroscopy. Thus the emission wavelength of the dashes can be defined very accurately over a large region between 1.2 and 2.0 µm by varying the thickness of the dash layer. This dependence can be used to achieve an extreme broadening of the gain spectrum of over 300 nm by overlapping layers with different thicknesses. Beside the major application in telecommunication lasers the usage for gas sensing detectors in the wavelength range between 1.8 and 2.0 µm is also possible. In addition to the employment of extremely thick dash layers this region can be reached by the growth principle of migration enhanced epitaxy or by embedding the dash layers in an InGaAs quantum well in a so-called DWell structure. The latter involves a large red-shift of about 130 meV accompanied by a small and intense emission. With the dashes showing a very interesting behaviour their suitability as an active layer of an InP semiconductor laser needs to be investigated. The exact layer design, especially the farfield characteristic, and the growth parameters had to be optimised. Also the effect of a subsequent annealing step was discussed. As the special advantages of quantum dash (QD) lasers are only of importance if their basic data are comparable to a quantum well (QW) laser on InP much attention was paid to a corresponding comparison. It can be shown that the efficiencies and the absorption of the QD lasers are nearly similar to QW lasers. The threshold current densities have a stronger dependence on the resonator length resulting in lower values for quantum dash lasers above 1.2 mm cavity length. The temperature dependence of the threshold current density corresponding to the characteristic temperature T0 shows a stronger sensitivity for QD lasers with maximum T0 values of about 100 K. In the emission spectra of the dash lasers a strong blue-shift with decreasing device length is recognised. At the same time these lasers have a much larger temperature stability of the emission wavelength. Both effects have their reason in the smaller slope of the gain spectrum. Some of the dash properties shown for test structures were also demonstrated for laser structures. By varying the thickness of the dash layers from 5 to 7.5 MLs a shift of the emission wavelength of about 230 nm was realised bearing potential for an even further extension of this method. Also a stack of six dash layers all slightly different in thickness was embedded in a laser structure. Using subthreshold spectra a gain width of 220 nm was measured giving the opportunity to cover the whole telecommunication band with a single device. Ridge waveguide lasers processed from quantum dash material show promising results with high maximum output powers of up to 15 mW per facet and low threshold currents. This work creates the basis for establishing InAs quantum dash lasers as an alternative for conventional quantum well lasers in the InP system. Especially the broad gain spectrum and the high temperature stability of the emission wavelength distinguish this material.

In dieser Dissertation wurde das epitaktische Wachstum und die Charakterisierung des halb-metallischen Ferromagneten NiMnSb vorgestellt. NiMnSb kristallisiert in der C1b Kristallstruktur, welche ähnlich der Zinkblendestruktur von häufig verwendeten III-V Halbleitern ist. Eine besondere Eigenschaft von NiMnSb ist die theoretische 100% Spin-polarisation an der Fermikante, die es zu einem perfekten Kandidaten für Spintronikexperimente macht. Eine weitere große Rolle für diese Arbeit spielten die magnetischen Eigenschaften von NiMnSb, insbesondere die niedrige magnetische Dämpfung der abgeschiedenen Schichten. Alle gewachsenen Schichten wurden mit der MBE-Technik hergestellt. Die Schichtstapel für alle unterschiedlichen Experimente und Anwendungen wurden auf InP Substrate in (001) oder (111)B Orientierung abgeschieden. Vor der NiMnSb Schicht wurde eine undotierte (In,Ga)As Pufferschicht gewachsen. Für einige Proben auf InP(111)B wurde zusätzlich eine Si-dotierte (In,Ga)As-Schicht auf die undotierte (In,Ga)As-Schicht gewachsen. Die Dotierungskonzentration der n-dotierenten Schicht wurde per ETCH-CV bestimmt. Alle Schichten wurden auf strukturelle Eigenschaften und die NiMnSb-Schichten zusätzlich auf magnetische Eigenschaften untersucht. Für die strukturellen Untersuchungen wurde die in-situ Technik RHEED und das ex-situ Werkzeug HRXRD verwendet. Auf beiden Orientierungen zeigten die RHEED-Beobachtungen eine gute Qualität der gewachsenen Puffer- und halb-metallischen Ferromagnetschichten. Dieses Ergebnis wurde durch die HRXRD-Messung bestärkt. Es konnte die vertikale Gitterkonstante bestimmt werden. Der erhaltene Wert von NiMnSb auf InP(001) a(NiMnSb_vertikal) = 5.925 Å ist in guter Übereinstimmung mit dem Literaturwert a(NiMnSb_Lit) = 5.903 Å[Cas55]. Für NiMnSb auf InP(111)B wurde eine vertikale Gitterkonstante von a(NiMnSb_vertikal) = 6.017 Å bestimmt. Die horizontale Gitterkonstante des Puffers und des halb-metallischen Ferromagneten konnte in guter Übereinstimmung mit der Substratgitterkonstante bestimmt werden. Allerdings ist dieses Ergebnis ausschließlich bis zu einer Schichtdicke von ≈40nm für NiMnSb gültig. Um diese maximale Schichtdicke zu erhöhen, wurden NiMnSb auf InP(001) Substrate gewachsen und mit einer Ti/Au-Schicht als Schutz versehen. Mit diesen Proben wurden reziproke Gitterkarten des (533) Reflex mit GIXRD am Synchrotron BW2 des HASYLAB gemessen [Kum07]. Es hat sich gezeigt, dass sich die kritische Schichtdicke mehr als verdopppeln lässt, wenn eine Ti/Au- Schicht direkt nach dem Wachstum von NiMnSb abgeschieden wird, ohne das Ultrahochvakuum (UHV) zu verlassen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit FMR Experimenten und SQUID bestimmt. Der gemessene magnetische Dämpfungsparameter α einer 40nm dicken NiMnSb Schicht auf InP(001) wurde zu 3.19e−3 entlang [1-10] bestimmt. Die resultierende Linienbreite von unseren Schichten auf InP(001) ist mehr als 4.88 mal kleiner als bei [Hei04] gemessen. Ein weiteres Ergebnis ist die Richtungsabhängigkeit der Dämpfung. Es wurde gemessen, dass die Dämpfung sich um mehr als 42% ändert, wenn das angelegte Feld um 45° von [1-10] nach [100] gedreht wird. Mit SQUID messten wir die Sättigungsmagnetisierung von einer 40nm dicken NiMnSb-Schicht zu 4µB. NiMnSb-Schichten auf InP(111)B Substrate wurden ebenfalls mit FMR untersucht, mit einem überraschenden Ergebnis. Diese Schichten zeigten nicht nur eine Abnahme im Anisotropiefeld mit ansteigender Schichtdicke, sondern auch ein uniaxiales Anisotropieverhalten. Dieses Verhalten kann mit Defekten in diesen Proben erklärt werden. Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) wurden dreieckige Defekte gemessen. Diese Defekte haben ihren Ursprung in der Pufferschicht und beeinflussen die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmete sich dem Verhalten von NiMnSb bei Temperaturen um die 80K. In unserer Probe konnte ein Phasenübergang in den Messdaten des normalen Hall Koeffizienten, anomalen Hall-Term und Leitungswiderstand nicht beobachtet werden. Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt verschiedene Spintronikanwendungen, welche aus unseren NiMnSb-Schichten gebaut wurden. In einer ersten Anwendung agiert die Magnetisierung auf einen Strom I. Die so genannte GMR-Anwendung besteht aus InP:S(001)- 180nm undotierten (In,Ga)As - 40nm NiMnSb - 10nm Cu - 6nm NiFe - 10nm Ru in CPP Geomtrie . Wir erhielten ein MR-Verhältnis von 3.4%. In einer zweiten Anwendung agiert der Strom I auf die Magnetisierung und nutzt dabei das Phänomen des Spin-Drehmomentes aus. Dieser so genannte Spin Torque Oscillator (STO) emittiert Frequenzen im GHz Bereich (13.94GHz - 14.1GHz). Die letzte hergestellte Anwendung basiert auf dem magnetischen Wirbelphänomen. Für das Umschalten der Kernpolarität sind die gyrotropischen Frequenzen f + = 254MHz, f − = 217MHz und ein totales, statisches magnetisches Feld von nur mµ0H = 65mT nötig. Die Umkehreffizienz wurde besser als 99% bestimmt. / In this work the epitaxial growth and characterization of the half-metallic ferromagnet NiMnSb was presented. NiMnSb crystallizes in the C1b structure which is similar to the zinc blende structure from widely used III-V semiconductors. One special property of NiMnSb is the theoretical 100% spin-polarization at the Fermi edge. This makes it a perfect candidate for spintronic experiments and the material of choice for building novel spintronic devices. Another important topic in this work were the magnetic properties of NiMnSb, especially the low magnetic damping of the grown thin films. All grown layers were fabricated with the technique of MBE. The layer stacks for all different experiments and devices were grown on InP substrate in (001) or (111)B orientation. Before the NiMnSb layer a buffer layer of undoped (In,Ga)As was grown. Additional for some samples on InP(111)B, a Si doped (In,Ga)As layer was grown on top of the undoped (In,Ga)As layer. The dopant concentration of this n-doped layer was determined by ETCH-CV. All layers were investigated by structural and the NiMnSb layer additional by magnetic properties. For the structural investigation the in-situ technique RHEED and ex-situ tool HRXRD were used. RHEED observations showed a good quality of the grown buffer and half-metallic ferromagnet layers on both orientations. These results were strengthened by the HRXRD measurement. The vertical lattice constant could be determined. The received value of a(NiMnSb_vertical) = 5.925 Å for NiMnSb on InP(001) is in good agreement to the value a(NiMnSb_Lit) = 5.903 Å found in literature [Cas55]. For NiMnSb on InP(111)B a vertical lattice constant of a(NiMnSb_vertikal) = 6.017 Å could be determined. The horizontal lattice constant of the buffer and the half-metallic ferromagnet layer could be determined as the same of the substrate. For NiMnSb this conclusion is only valid up to a thickness of ≈40nm. To increase this maximum thickness, NiMnSb samples were grown on InP(001) substrates and capped with Ti/Au layers. Afterwards a reciprocal space map of the (533) reflex was drawn with GIXRD at the synchrotron beamline BW2 of HASYLAB [Kum07]. It has been shown that the critical thickness is more than doubled by depositing a Ti/Au capping directly after growth of NiMnSb without breaking the ultrahigh vacuum (UHV). The magnetic properties were determined with FMR experiments and SQUID measurements. The received magnetic damping parameter α from a 40nm thick NiMnSb layer on InP(001) could be determined to 3.19e−3 along [1-10]. The resulting line width of our NiMnSb layers on InP(001) is more than 4.88 times smaller than measured before [Hei04]. Another result is the direction dependence of the damping. It has been measured that the difference of the damping is changed by more than 42% when rotating the applied field by 45° from [1-10] to [100].With SQUID we measured a saturation magnetization of a 40nm thick NiMnSb layer as 4µB. NiMnSb layers on InP(111)B substrate where also measured with FMR with a surprising result. These layers not only showed a decreasing in the anisotropy field with increasing thickness but also an uniaxial anisotropy. This behaviour can be explained with defects on these samples. With an AFM triangle-like defects were measured. These defects originated from the buffer layer and influenced the magnetic properties. Another part of this work is dedicated to the behaviour of NiMnSb at temperatures around 80K. With our samples, no phase transition can be observed in the data of the Hall, anomalous Hall term and resistivity. The last part of this work discusses different spintronic devices build with our NiMnSb layers. In a first device the magnetization acts on the current. This Giant Magneto Resistance (GMR) device consisted of InP:S(001) - 180nm undoped (In,Ga)As - 40nm NiMnSb - 10nm Cu - 6nm NiFe - 10nm Ru in current perpendicular to plane (CPP) geometry. We received a Magneto-Resistance-Ratio of 3.4%. In a second device the current acts on the magnetization and makes use of the spin torque phenomena. This so called Spin Torque Oscillator (STO) emitted frequencies in the GHz range (13.94GHz - 14.1GHz). The last fabricated device is based on the magnetic vortex phenomena. For switching the core polarity the gyrotropic frequencies f + = 254MHz f − = 217MHz and a total static magnetic field of only mµ0H = 65mT were necessary. The reversal efficiency has been determined as better than 99% [Lou09].

The material system of interest in this thesis are II-VI-semiconductors. The first part of this thesis focuses on the formation of self-assembled CdSe-based quantum dots (QD) on ZnSe. The lattice constants of ZnSe and CdSe differ as much as about 7\% and therefore a CdSe layer grown on top of ZnSe experiences a huge strain. The aspired strain relief constitutes in the self-assembly of QDs (i.e. a roughened layer structure). Additionally, this QD layer is intermixed with Zn as this is also a possibility to decrease the strain in the layer. For CdSe on ZnSe, in Molecular Beam Epitaxy (MBE), various QD growth procedures were analysed with respect to the resulting Cd-content of the non-stoichiometric ternary (Zn,Cd)Se. The evaluation was performed by Raman Spectroscopy as the phonon frequency depends on the Cd-content. The second part of the thesis emphasis on the interface properties of n-ZnSe on n-GaAs. Different growth start procedures of the ZnSe epilayer may lead to different interface configurations with characteristic band-offsets and carrier depletion layer widths. The analysis is mainly focused on the individual depletion layer widths in the GaAs and ZnSe. This non-destructive analysis is performed by evaluating the Raman signal which comprises of phonon scattering from the depleted regions and coupled plasmon-phonon scattering from regions with free carriers. / Im Rahmen dieser Dissertation wurden II-VI Halbleiter untersucht. Der erste Teil behandelt die Selbstorganisation von CdSe basierten Quantenpunkten auf ZnSe. Die Gitterkonstante von ZnSe und CdSe differieren um ca. 7% und daher erfährt eine CdSe Schicht auf ZnSe eine riesige Verspannung. Der angestrebte Abbau dieser Verspannung resultiert in der Selbstorganisation von Quantenpunkten (bzw. einer rauen CdSe-Oberfläche). Zusätzlich bietet die Durchmischung mit Zn eine weitere Möglichkeit die Verspannung zu senken. In der Arbeit wurde mittels Raman Spektroskopie der Einfluss von verschiedenen MBE-Wachstumsmethoden auf den resultierenden Cd-Gehalt der Quantenpunktschicht untersucht. Im zweiten Teil standen die Grenzflächeneigenschaften von n-ZnSe auf n-GaAs im Fokus. Unterschiedliche Wachstumsmethoden dieser Grenzflächen können sich auf verschiedene Eigenschaften auswirken. Insbesondere in der Ausbildung von Verarmungszonen innerhalb der beiden Materialien an der Grenzfläche. Hierzu kam auch Raman Spektroskopie zum Einsatz da sich das Raman Signal aus Streubeiträgen von Phononen aus den verarmten Zonen und aus gekoppelten Plasmon-Phonon Moden aus den Schichten mit freien Ladungsträgern zusammensetzt.

Die vorgelegte Arbeit untersucht den ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As mit seinen komplexen Eigenschaften im Hinblick auf die Optimierung der Materialeigenschaften sehr dünner (4 nm) (Ga,Mn)As Schichten, welche mit der Technologie der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Zuerst werden die strukturellen, ferromagnetischen und elektrischen Eigenschaften von (Ga,Mn)As vorgestellt. Die Einflüsse von Punktdefekten, Grenzflächen- und Oberflächen-Effekten auf dicke und dünne (Ga,Mn)As Schichten werden mit Hilfe von vereinfachten, selbstkonsistenten Berechnungen der Bandkantenverläufe diskutiert. Der Experimental-Teil ist in drei Teile unterteilt: Der erste Teil untersucht den Einfluss der epitaktischen Wachstumsbedingungen auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von dicken (70 nm) (Ga,Mn)As Schichten. Der zweite Teil führt ein alternatives, parabolisches Mn-Dotierprofil mit effektiver Schichtdicke von 4 nm ein im Vergleich zu einer gleich dünnen Schicht mit homogenem Mn-Dotierprofil. Es konnten einerseits verbesserte Eigenschaften dieser parabolischen Schicht erreicht werden, anderseits sind die magnetischen und elektrischen Eigenschaften vergleichbar zu dicken (Ga,Mn)As Schichten mit gleichem Mn-Gehalt von 4%. MBE Wachstumsbedingungen für (Ga,Mn)As Schichten mit parabolischem Mn-Dotierprofil und verringertem nominellem Mn-Gehalt von 2.5% wurden ebenfalls untersucht. Ein schmales Wachstumsfenster wurde hierbei ermittelt, in dem die Tieftemperatur-Eigenschaften verbessert sind. Der letzte Teil der Arbeit präsentiert eine Anwendung der magnetischen Anisotropiekontrolle einer dicken (Ga,Mn)As Schicht. / The present thesis studies the (Ga,Mn)As material in terms of optimization of very thin (4 nm) (Ga,Mn)As layers, epitaxially fabricated by the molecular beam epitaxy (MBE) technology. First of all, the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As with its structural, magnetic and electrical properties is introduced. The influences of point defects, interface and surface effects on bulk and thin (Ga,Mn)As layers are discussed by simplified self-consistent band alignment calculations. The experimental part is divided in three blocks: The first part studies the influence of epitaxial growth parameter conditions on electrical and magnetic properties of bulk (70 nm) (Ga,Mn)As layers. The second part introduces an alternative, parabolical Mn doping-profile instead of a 4 nm layer with a homogeneous Mn doping-profile. Improved properties of the parabolic layer have been observed as well as comparable magnetic and electrical properties to bulk (Ga,Mn)As layers, both with a Mn content of 4%. MBE growth parameters for the (Ga,Mn)As layers with a parabolically graded Mn profile and lowered nominal Mn content of 2.5% have been investigated. A narrow growth window has been found in which low-temperature (LT) layer properties are improved. The last part of this thesis presents an application of magnetic anisotropy control of a bulk (Ga,Mn)As layer.

This thesis describes the epitaxial growth of the Half-Heusler alloy NiMnSb by molecular beam epitaxy. Its structural and magnetic properties are controlled by tuning the composition and the resulting small deviation from stoichiometry. The magnetic in-plane anisotropy depends on the Mn concentration of the sample and can be controlled in both strength and orientation. This control of the magnetic anisotropy allows for growing NiMnSb layers of a given thickness and magnetic properties as requested for the design of NiMnSb-based devices. The growth and characterization of NiMnSb-ZnTe-NiMnSb heterostructures is presented - such heterostructures form an all-NiMnSb based spin-valve and are a promising basis for spin torque devices. / Diese Arbeit beschreibt das epitaktische Wachstum der Halb-Heusler Legierung NiMnSb mittels Molekularstrahl Epitaxie. Durch Abstimmen der Zusammensetzung und einer daraus folgenden geringen Abweichung der Stöchiometrie werden die strukturellen und magnetischen Eigenschaften gesteuert. Die magnetische Anisotropie hängt von der Mn Konzentration der Probe ab, wobei sowohl die Stärke als auch die Orientierung der Anisotropie angepasst werden kann. Die Kontrolle der magnetischen Anisotropie erlaubt das Wachstum von NiMnSb Schichten mit gegebener Dicke und magnetischen Eigenschaften, die für das Design von NiMnSb-basierten Bauteilen erforderlich sind. Das Wachstum und die Charakterisierung von NiMnSb-ZnTe-NiMnSb Heterostrukturen wird präsentiert - solche Heterostrukturen bilden ein rein NiMnSb-basiertes Spinventil und sind eine vielversprechende Basis für Spin Drehmoment Bauteile.