Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung (Ekin < 25 eV) auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum. Dabei wird insbesondere der Einfluss einer Oberflächenrekonstruktion, einer Strukturierung der Oberfläche, einer Zwischenschicht (Pufferschicht) und der Einfluss verschiedener Siliziumsubstratorientierungen auf das epitaktische Wachstum von dünnen Galliumnitrid-Schichten nach einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung diskutiert. Ziel war es, möglichst dünne, epitaktische und defektarme Galliumnitrid-Schichten zu erhalten. Für die Charakterisierung der Galliumnitrid-Schichten und der Siliziumsubstrate standen diverse Analysemethoden zur Verfügung. Die kristalline Oberflächenstruktur konnte während des Wachstums mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen beobachtet werden. Nachfolgend wurde die Oberflächentopografie, die kristalline Struktur und Textur, sowie die optischen Eigenschaften der Galliumnitrid-Schichten mittels Rasterkraftmikroskopie, Röntgenstrahl-Diffraktometrie, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenzspektroskopie untersucht.

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.

This thesis addresses the manufacturing of complex three-dimensional structures using planar nano-fabrication techniques and a stress-driven self-assembly process in group IV semiconductors. In the state of the art, the method called nanostructured origami, advocated here, has been used to achieve controlled fabrication of rolled-up, wrinkled and folded structures in different material systems. At the same time a new field of silicon technology based on transferable and engineered nanomembranes has developed with the realization of the fact that excellent properties of bulk Si are preserved in nm-thin layers released from the substrate surface. Furthermore, strained Si and SiGe membranes have received much attention as efficient templates to improve Si based device performance. This work focuses on finely tuning the inherent strain in Si-based membranes in order to reliably fold them into rolled-up and wrinkled structures. The topics include manufacturing, in depth characterization and potential applications of the fabricated objects. All samples investigated here have a multilayered structure comprising a sacrificial layer and an all semiconductor or hybrid functional layer. A selective underetching procedure is used to release the nanomembranes from their substrates. The strain profile in the growth direction of the functional layer is one of the key parameters to define the 3D objects forming during the release of the membranes from the substrate. Rolled-up tubes are achieved, for instance, by defining a bilayer strip in the region where bending is to take place. The upper layer of these areas is intentionally deposited with as much residual stress as possible. This intrinsic stress causes the defined slab to curl in a predictable fashion when released from the substrate by selective etching of the sacrificial film. Wrinkled structures are achieved by release of films with a uniform compressive strain from the substrate surface. Three different multilayer stacks are used here, i.e., Si:B/SiGe:B, SiGe and Si functional layers on a Si, SiO₂, and Ge sacrificial layer, respectively. Major contributions of this thesis are the fabrication of integrated microtube resistors based on Si:B/SiGe:B tubes; the use of the Ge condensation technique to tailor the strain distribution in SiGe films on insulator; the manufacturing of fully scalable and CMOS compatible all-semiconductor and hybrid tubes ; the development of the REBOLA (RElease and BOndback of LAyers) technology for the fabrication of linear and circular networks formed by interconnected wrinkled structures; the experimental demonstration of light emission from Ge and Si nanoparticles integrated in a tube wall; the observation and investigation of the waveguiding effect along the axis of SiO_x/Si tubes. For manufacturing of integrated microtube resistors, two-dimensional strained templates are created by MBE growth of Si:B/SiGe:B bilayers on an intrinsic Si sacrificial layer. Conventional patterning techniques are used to define a mesa for a rolled-up tube bridged between two electrodes on the strained film. The pattern is designed taking into account the anisotropic nature of Si etching by the used solution, and a preferential rolling of the film in the <010> direction of the Si crystal. After definition of the electrical contacts in the dedicated areas, rolled-up tubes bridged between two large terminal areas are fabricated by selective etching of the Si sacrificial layer. Linear I-V curves are recorded both for unreleased and rolled-up films, and an increase of the bilayer resistance after release from the substrate is observed. Scalability of the electrical resistance of tubes is achieved by tuning the rolled-up bilayer thickness and the tube diameter. SGOI substrates with various thicknesses and Ge composition profiles are fabricated by using the Ge condensation technique. For this purpose a SiGe layer with low Ge content is epitaxially grown on an ultra-thin SOI wafer and the obtained heterostructure undergoes dry thermal oxidation. Upon exposure to oxygen gas, Si in the SiGe layer is selectively oxidized, and the Ge piles up in the semiconductor layer at the receding SiO₂/SiGe interface. The growing and the buried oxides act as barriers for the Ge out-diffusion, leading to the simultaneous thinning and Ge enrichment of the semiconductor film. Different Ge distribution profiles are created in the SiGe films by tuning the duration and/or the temperature of the oxidation process. An in-situ post-annealing step in nitrogen atmosphere is also used to tailor the composition profile in the film. Rolled-up microtubes and interconnected wrinkled structures are fabricated by releasing SiGe films graded and homogeneous in composition, respectively, by selective etching of the buried SiO₂ layer. Hybrid metal/semiconductor tubes are fabricated by using Si and SiGe films on insulator as templates. A patterned Cr film is thermally evaporated on the SOI and SGOI substrates and a starting edge for the rolling process is defined by photolithography and RIE (reactive ion etching). The inherent tensile strain in the Cr layer creates a strain gradient sufficient to drive the upward bending of the Cr/Si or Cr/SiGe bilayer once the film is released from the substrate. The third part of the thesis focuses on functionalization of rolled-up tubes as optical devices. SiO_x/Si and SiGe tubes undergo high temperature annealing treatment to induce the formation of Si and Ge nanostructures in the tube wall. Intense photoluminescence in the visible spectrum range is acquired at room temperature from these structures. A detailed investigation of light emission and propagation in SiO_x/Si tube is performed. Finally the rolled-up microtubes are shown to work as optical ring-resonators and waveguides. These results conclusively demonstrate the ability to pattern Si-based membranes with nanoscale features and controllably fold them into a predetermined 3D configuration by finely tuning the strain distribution in the membranes by well-estabilished deposition and growth processes i.e., molecular beam epitaxy, physical vapor deposition, and thermal oxidation. Future work may involve the use of selective epitaxy, local oxidation and strained metal or insulator film deposition to locally engineer the strain distribution on the same template. Selecting an appropriate geometry of starting etching windows allows in that case a batch production of different kinds of interconnected structures (tubes, coils and channel networks) by selective etching of a sacrificial buffer layer. This is a promising step to implement various functionalities, i.e, electron devices (SiGe/Si tubes as rolled-up resistors, or metal/semiconductor tubes as inductors), fluidic devices (interconnected wrinkled structures as nanofluidic channel networks), or optical devices (Si-based tubes with integrated emitters as ring-resonators or waveguides) on the same substrate and eventually on a transferable membrane. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von komplexen dreidimensionalen Strukturen unter der Verwendung planarer Nano-Fabrikationsmethoden und Verspannungsgetriebener Selbstordnungsprozesse. Die hier vorgestellte Methode, das sogenannte nanostrukturierte Origami, wird benutzt, um gezielt gerollte und gefaltete Strukturen verschiedener Materialklassen herzustellen. Gleichzeitig hat sich ein neues Feld der Siliziumtechnologie etabliert, welches darauf beruht, dass in ultradünnen, von der Substratoberfläche losgelösten Schichten die sehr guten Eigenschaften des Siliziumfestkörpers erhalten bleiben. Des Weiteren wurde Si und SiGe Membranen vermehrt Aufmerksamkeit als Ausgangsmaterial für Si-basierte Bauelemente zuteil. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Feineinstellung der Verspannung in Si-basierten Membranen zur reproduzierbaren Herstellung von aufgerollten und gefalteten Strukturen. Die Aufgabenstellung schließt die Fertigung, die weitgehende Charakterisierung und potentielle Verwendung der Strukturen ein. Alle in dieser Arbeit verwendeten Proben bestehen aus Multilagen, die sowohl eine Opferschicht als auch eine funktionelle Halbleiter- oder Hybridlage enthalten. Durch einen selektiven Prozess werden die Nanomembranen von ihrem Substrat abgelöst. Das Verspannungsprofil in Wachstumsrichtung der funktionellen Schicht ist einer der Schlüsselparameter, um die Art der 3D Objekte vorherzubestimmen, die sich während des Ablösens vom Substrat bilden. Die obere Lage wird dazu absichtlich mit einer maximalen Verspannung aufgebracht. Diese intrinsische Verspannung bewirkt, dass sich das zuvor festgelegte Gebiet in vorhersagbarer Weise aufrollt, wenn es durch selektives Ätzen vom Substrat abgelöst wird. Gefaltete Strukturen erhält man, wenn Lagen mit einer gleichmäßigen kompressiven Verspannung vom Substrat abgelöst werden. Drei verschiedene Multilagen werden in dieser Arbeit verwendet: Si:B/SiGe:B, SiGe und Si-basierte funktionale Schichten, die auf Si-, SiO₂- oder Ge-Opferschichten aufgebracht werden. Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind: die Herstellung von integrierten Mikroröhren- Transistoren auf der Basis von Si:B/SiGe:B-Röhren; die Ausnutzung von Ge-Kondensation um die Verspannung von SiGe auf Isolator-Substraten einzustellen; die Herstellung von skalierbaren und CMOS-kompatiblen Halbleiter- und Hybridröhren; die Entwicklung der REBOLA-Technik (RElease and BOnd-back of LAyers) zur Herstellung von linearen und kreisförmigen Netzwerken, die durch gefaltete und verbundene Strukturen gebildet werden; die experimentelle Demonstration der Emission von in den Tubewänden integrierten Si und Ge Nanopartikeln; sowie die Beobachtung und Untersuchung von Wellenleitung entlang der Achse von SiO_x/Si Röhren. Für den Bau von integrierten Mikroröhren-Widerständen werden verspannte zweidimensionale Vorlagen mittels MBE-Wachstum aus Si:B/SiGe:B-Doppelschichten auf intrinsischen Si-Opferschichten verwendet. Klassische Strukturierungsmethoden werden verwendet, um Stege zu definieren, die zwei Elektroden mittels einer aufgerollten Mikroröhre verbinden. Die Strukturierungsmasken werden entsprechend ausgelegt, um sowohl das anisotrope selektive Ätzverhalten der verwendeten Ätzflüssigkeit, als auch die bevorzugte Rollrichtung der Doppelschicht in die <010>-Richtung des Si-Kristalls zu berücksichtigen. Nach der Abscheidung der beiden Elektroden werden deren Anschlussgegenden durch eine Röhre miteinander verbunden, die beim selektiven entfernen der Opferschicht entsteht. Lineare I-V Kennlinien werden sowohl für den flachen, als auch den aufgerollten Film gemessen, wobei ein erhöhter Widerstand für die aufgerollte Doppelschicht beobachtet wird. Eine Skalierbarkeit des Widerstandes der Röhren wurde durch Einstellen der Wandstärke und des Röhrendurchmessers erreicht. SGOI-Substrate verschiedener Dicken und Ge-Konzentrationsprofilen werden mittels der Ge-Kondensationsmethode hergestellt. Für diesen Zweck werden dünne SiGe-Schichten mit geringer Ge-Konzentration epitaktisch auf ultra-dünnen SOI-Wafer eptiaktisch aufgewachsen und anschließend einer trockenen, thermischen Oxidation unterworfen. Wenn diese Schicht dem Sauerstoff ausgesetzt wird, oxidiert Silizium an der Oberfläche und Ge sammelt sich in der Halbleiterschicht unter der SiO_x/SiGe Grenzfläche an. Sowohl das aufwachsende als auch das vergrabene SiO₂ wirken als Diffusionsbarrieren für das Ge, was zu einem simultanen Ansteigen der Ge-Konzentration und dem Abdünnen der verbleibenden Halbleiterschicht führt. Verschiedene Ge-Verteilungsprofile wurden durch gezielte Variation der Dauer und/oder der Temperatur während des Oxidationsprozesses hergestellt. Ein in-situ Nachtempern in einer Stickstoffatmosphäre wird ebenfalls benutzt, um das Verteilungsprofil im Film anzupassen. Sowohl aufgerollte Mikroröhren als auch verbundene gefaltete Netzwerkstrukturen werden durch gezieltes Ablösen von gradierten oder homogenen SiGe Schichten mittels selektiven Ätzens des SiO₂ hergestellt. Hybride Metall/Halbleitende Röhren wurden fabriziert, wobei Si- und SiGe-Schichten auf Isolator als Template dienten. Dafür wurde eine strukturierte Cr-Schicht thermisch auf ein SOI- oder SGOI-Substrat aufgedampft und Startkanten für den Aufrollprozess mittels Fotolithographie und RIE-Ätzen definiert. Die inhärent dehnungsverspannten Cr-Schichten erzeugen einen Verspannungsgradienten, der beim Ablösen der Cr/Si- oder Cr/SiGe-Doppelschichten ein Aufwärtsrollen sicherstellt. Der dritte Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Funktionalisierung von aufgerollten Röhren als optische Bauelemente. SiO_x/Si-Röhren werden hohen Temperaturen ausgesetzt, um Si- und Ge-Nanostrukturen in der Röhrenwand zu bilden. Bei Raumtemperatur wird eine intensive Fotolumineszenz der Strukturen beobachtet. Eine detaillierte Untersuchung der Lichtemission und der Lichtausbreitung in den SiO_x /Si-Röhren wurde durchgeführt. Dabei wird nachgewiesen, dass aufgerollte Mikroröhren als optische Ringresonatoren und Wellenleiter genutzt werden können. Die Ergebnisse zeigen klar, dass es unter der Benutzung von wohl etablierten Abscheidungsmethoden wie Molekularstrahlepitaxie, physikalischer Gasphasenabscheidung oder thermischer Oxidation möglich ist, Si-basierte Membranen mit nanometergroßen Strukturen herzustellen und in vorherbestimmte 3D-Konfigurationen zu überführen. Um die Verspannung auf dem benutzten Film-Template lokal einzustellen, könnten zukünftige Arbeiten von selektiver Epitaxie, lokaler Oxidation, sowie von verspannten Metallen, als auch von Isolatorschichten Gebrauch machen. Durch Auswahl einer entsprechenden Geometrie der Startfenster würde in diesem Fall die Herstellung verschiedener miteinander verbundener Strukturen (Röhren, Spulen und Kannalnetzwerken) möglich werden. Dies stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, verschiedene funktionelle elektrische Bauelemente (SiGe/Si-Röhren als Widerstände oder Metall/Halbleiterspulen), Flüssigkeitsbauelemente (verbundene, gefaltete Netzwerkstrukturen als Nanokanäle) oder optische Bauelemente (Si-basierte Röhren mit integrierten Emittern als Ringresonatoren oder Wellenleiter) auf dem gleichen Substrat oder eventuell auf einer transferierbaren Membran unterzubringen.

Der Einfluss der Verspannung während des Wachstums von InAs auf GaAs(001) mittels Molekularstrahlepitaxie wird in dieser Arbeit untersucht. Eine Biegebalkenapparatur wurde benutzt, um den Verlauf der Filmkraft während des Wachstums und dem nachfolgenden Anlassen bei Wachstumstemperaturen zu messen. Die Steigung in einer Darstellung von Filmkraft gegen Filmdicke ist gleich der Verspannung, die sich während des heteroepitaktischen Wachstums bildet. Während des Wachstums von InAs auf GaAs(001) unter As-reichen Bedingungen zeigt die Filmkraft zuerst eine lineare Steigung. Dieser lineare Verlauf entspricht dem Aufdampfen der Benetzungsschicht (WL). Nach Erreichen der kritischen Schichtdicke verläuft die Filmkraft mit geringerer Steigung, was auf einen Abbau der Verspannung durch das Auftreten von Quantenpunkten (QP) hindeutet. Werden die QP nachfolgend angelassen, nimmt die Filmkraft wieder ab was durch Reifung der QDs und durch Desorption von InAs hervorgerufen wird. Modelle wurden entwickelt um die Filmkraft-Kurven, die während des Anlassens gemessen wurden, anzupassen. Die QP reifen unter Standard-Ostwald-Bedingungen für Temperaturen unterhalb 470°C. Verschiedene Mechanismen bestimmen den Reifungsprozess. Beim Anlassen bei höheren Temperaturen zeigt sich ein anderes Verhalten. Die Verspannung der QP baut sich auf Werte unterhalb der Verspannung ab, die durch das Aufbringen der Benetzungsschicht entstanden ist. Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen zeigen, dass die QP zuerst reifen und sich dann nach ca. 450s bis 600s wieder auflösen. Im Unterschied zum Wachstum unter As-reichen Bedingungen führt das Wachstum unter In-reichen Bedingungen nicht zur Ausbildung von QP sondern verläuft im Lagenwachstumsmodus. Filmkraft-Kurven wurden ebenfalls unter diesen Bedingungen gemessen und zeigen, wie erwartet, eine deutliche Abweichungen von Kurven, die während des Stranski-Krastanov-Wachstums gemessen wurden. Eine erste vorläufige Analyse dieser Filmkraftkurven wird beschrieben. / The influence of stress on the growth of InAs on GaAs(001) by molecular beam epitaxy (MBE) is investigated in this thesis. An in-situ cantilever beam measurement (CBM) setup was used to measure the evolution of the film force during deposition and subsequent annealing at the growth temperature. The slope in a plot of film force versus film thickness is equal to the stress that builds up during heteroepitaxial growth. During the growth of InAs on GaAs(001) under As-rich conditions, the film force shows a linear slope up to a value of 2.3 N/m. This linear increase in film force corresponds to the deposition of the wetting layer. Beyond the critical thickness of 1.5-1.6 monolayers, the film force proceeds with a decreasing slope, indicating a strain release by the formation of quantum dots. When the samples are subsequently annealed, the film force decreases again due to the ripening of the quantum dots and the desorption of InAs. Models were developed to fit and explain the relaxation of the film force measured during the annealing of InAs quantum dots. At temperatures lower than 470°C, quantum dots undergo standard Ostwald ripening. Different mechanisms determine the ripening process. Fits of the models based on these mechanisms were made to the film force relaxation curves. Annealing of quantum dots at temperatures higher than 500°C shows a very different behavior. The film force accumulated during the quantum dot formation relaxes below the value which was built-up by the wetting layer growth. Atomic force microscopy images reveal that the quantum dots ripen first and then dissolve after 450s to 600s annealing. In contrast to the growth under As-rich conditions, the growth under In-rich conditions does not lead to the formation of quantum dots but proceeds rather in a layer-by-layer growth mode. The film force curves were also measured during this deposition mode. A preliminary analysis of the film force curves is presented.

In der vorgelegten Arbeit wurden zwei Arten von Quantendrahtstrukturen untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Erstens ist dies eine laterale Quantendrahtstruktur, die sich entlang einer Mesakante durch selektives Wachstum auf strukturierten GaAs (311)A-Substraten ausbildet. Zunächst wurden vertikal gestapelte Quantendrähte mit starker elektronischer Kopplung realisiert. Weiterhin wurden, unter Nutzung des amphoteren Einbaus von Si, p-i-n-Leuchtdioden mit einem einzelnen Quantendraht in der aktiven Zone hergestellt, die sich durch selektive Ladungsträgerinjektion in die Quantendrähte auszeichnen. Die Leuchtdioden wurden weitergehend mittels Mikrophotolumineszenz(µ-PL), Kathodolumineszenz (CL) und Elektronenstrahl-induziertem Strom (EBIC) charakterisiert. Zur Erklärung der selektiven Elektrolumineszenz (EL) wurde ein Modell, basierend auf der lateralen Diffusion von Elektronen und Löchern, vorgeschlagen. Für verspannte Systeme wurde der Einfluss von atomarem Wasserstoff auf das Wachstum von (In,Ga)As auf GaAs (311)A und die Bildung von lateralen Quantendrähten untersucht. Atomarer Wasserstoff spielt dabei die Rolle eines Surfaktanden und unterdrückt deutlich die Bildung von dreidimensionalen Inseln. Zweitens wurde das Wachstum von verspannten (In,Ga)As-Schichten auf GaAs (100) untersucht. Es zeigte sich, dass die dreidimensionale Inselbildung durch die Wachstumskinetik bestimmt ist, und ein Übergang von symmetrischen zu asymmetrisch verlängerten Inseln bei Erhöhung der Wachstumstemperatur auftritt. Dieser Prozess wird durch das Zusammenspiel von Oberflächen- und Verspannungsenergie bestimmt, wobei die experimentellen Befunde in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Arbeiten von Tersoff und Tromp sind. Ausgehend von asymmetrischen (In,Ga)As-Inseln wurden selbstorganisierte Quantendrähte hergestellt, deren Homogenität und Länge sich durch Wachstum einer Vielschichtstruktur deutlich erhöhen. Strukturell wurden die (In,Ga)As-Quantendrähte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgendiffraktometrie (XRD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Der laterale Ladungsträgereinschluss in den Quantendrähten zeigte sich deutlich in polarisationsabhängigen Photolumineszenz- und Magnetophotolumineszenzmessungen. / The present work focuses on two types of quantum wire structures which were grown by molecular beam epitaxy (MBE). First, the sidewall quantum wires based on the selective growth on mesa stripe patterned GaAs(311)A are studied. Single stacked sidewall quantum wires with strong electronic coupling have been fabricated. p-i-n type LEDs of the quantum wires employing the amphoteric Si incorporation for p- and n-type doping on GaAs(311)A have been fabricated. Strong selective carrier injection into the quantum wires is observed in electroluminescence (EL) measurements. The samples are characterized by micro-photoluminescence (µ-PL), cathodoluminescence (CL), as well as electron beam induced current (EBIC) measurements. To account for the highly selective EL, a model is proposed, which is based on the lateral diffusion of electrons and holes resulting in self-enhanced carrier injection into the quantum wires. Atomic hydrogen effects in the growth of (In,Ga)As on GaAs(311)A and its application to the sidewall quantum wire are investigated. It is found that atomic hydrogen suppresses island formation. Atomic hydrogen delays the relaxation by islanding thus playing the role of a surfactant. Second, the growth of (In,Ga)As layers on GaAs(100) is investigated showing that the formation of coherent 3D islands is a kinetically limited process. The transition from square-shaped islands to elongated islands is observed by changing the growth temperature for the growth of (In,Ga)As single layers. The elongation of the islands is a tradeoff between the surface free energy and the strain energy. A quantitative comparison between the experimental results and the theoretical work done by Tersoff and Tromp shows a good agreement. Self-organized quantum wires based on elongated discolation-free islands have been fabricated. The uniformity of the quantum wires is greatly improved by a superlattice growth scheme which also makes the wires much longer. The structural characterization of the quantum wires is performed by atomic force microscopy (AFM), x-ray diffractometry (XRD), and transmission electron microscopy (TEM). The lateral carrier confinement in the quantum wires is confirmed by polarization dependent PL and magneto-PL measurements.

Das Wachstum von monolagen dünnen Schichten von InN und GaN/InN auf ZnO wurde untersucht. Ebenso der Einfluss der Verspannung, welche durch das Substrat bedingt ist, auf den Indiumgehalt von (In, Ga)N Heterostrukturen, welche auf GaN und ZnO gewachsen wurden. Alle Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxy gewachsen. Es wurde eine Prozedur entwickelt zum Glühen von ZnO Substraten, um glatte Oberflächen mit Stufenfluss-Morphologie zu erhalten, welche sich für das Wachstum von monolage-dünnen Heterostrukturen eignen. Solche Zn-ZnO und O-ZnO Oberflächen konnten produziert werden, wenn die Proben bei 1050 °C in einer O2 Atmosphäre bei 1 bar für eine Stunde geglüht wurden. Reflection high energy electron diffraction wurde eingesetzt, um in situ den Wachstumsmodus und die Entwicklung des a-Gitterabstandes zu untersuchen. Die kritische Schichtdicke, ab welcher ein Übergang im Wachstumsmodus von glattem zu rauhem Wachstum statt findet, war für das Wachstum von InN auf ZnO geringer als 2 ML und setzt gemeinsam mit dem Beginn der Relaxation ein. Für das Wachstum von GaN auf monolagen-dünnem InN/ZnO konnte gezeigt werden, dass höchstens wenige ML abgeschieden werden können, bevor Relaxation eintritt und/oder eine Vermischung zu (In, Ga)N stattfindet. Untersuchungen durch Röntgenbeugung und Raman Spektroskopie geben Hinweise darauf, dass das Abscheidung der nominalen Struktur 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) vermutlich zum Wachstum von (In, Ga)N führte. Die chemische Zusammensetzung war für alle Proben sehr ähnlich mit einem indium Gehält von etwa x: 0.36 und einem Relaxationsgrad von 65% - 73% für Proben, die auf ZnO gewachsen wurde und 95% für Wachstum auf 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN. Ein unbeabsichtigter Unterschied im V/III-Verhältnis während des Wachstums von (In, Ga)N Heterostrukturen, auf welchen die Anwesenheit von Metalltröpchen auf manchen Proben hinwies, lies auf einen möglichen Einfluss auf das Relaxationsverhalten und die Oberflächenrauhigkeit schließen. / Several thin InN and GaN/InN films and (In, Ga)N heterostructures were grown using molecular beam epitaxy to investigate their growth mode. InN and GaN/InN films were grown on ZnO substrates and (In, Ga)N heterostructures were grown on (In, Ga)N buffers and ZnO substrates. Fabricating the heterostructures on two different types of substrates was a means of strain engineering to possibly increase the indium content in the (In, Ga)N layers. An annealing procedure was established to treat ZnO substrate to gain smooth, stepped surfaces suitable for ML thin heterostructure devices. Reflection high energy electron diffraction was used to investigate in situ the growth mechanism and evolution of the a-lattice spacing. The critical layer thickness for growth mode transition of InN from smooth to rough is below 2 MLs and fairly coincides with the onset of main relaxation. The deposition of GaN on ML thin InN/ZnO shows that at best a few MLs can be deposited before relaxation and/or intermixing into (In, GaN) takes place. Investigations by X-ray diffraction and Raman spectroscopy indicate that the deposition of a nominal structure of 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) seems to result in the growth of (In, Ga)N instead. The average chemical composition was similar for all samples with an indium content close to x: 0.36 and a degree of relaxation between 65%-73% for samples grown on ZnO and 95% for the sample grown on 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN pseudo-substrate. The surface was probed with atomic force microscopy and showed that starting with smooth surfaces with root mean square roughness around 0.2 nm there was a considerable roughening during growth and surfaces with grain like morphology and a roughness around 2 to 3 nm was produced. Unintentional differences in V/III ratio during growth of (In, Ga)N heterostructures, indicated by the presence of droplets on some of the sample surfaces, were possible, impacting on the sample relaxation behavior and the surface roughness.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.

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.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.:Kapitel 1 1 Einführung 1 Kapitel 2 5 Grundlagen 5 2.1 Kristallstruktur und Eigenschaften von Galliumnitrid 5 2.2 Wechselwirkung niederenergetischer Ionen mit der Oberfläche 8 2.2.1 Energiefenster für die optimale ionenstrahlgestützte Epitaxie 9 2.3 Einfluss der Teilchenenergie auf die Oberflächenmobilität 11 2.3.1 Strukturzonenmodelle 11 2.3.2 Thermisch induzierte Oberflächenmobilität 13 2.3.3 Ballistisch induzierte Oberflächenmobilität 14 2.4 Herstellungsverfahren 15 2.4.1 Metallorganische Gasphasenepitaxie 15 2.4.2 Molekularstrahlepitaxie 16 2.4.3 Ionenstrahlgestützte Molekularstrahlepitaxie 17 2.5. Schichtwachstum 18 2.5.1 Frühstadium des Wachstums 18 2.5.2 Wachstumsmodi 20 2.5.3 Wachstum an Stufen 21 2.5.4 Ionenstrahlgestütztes GaN-Wachstum 23 2.6 Modellsystem GaN auf 6H-SiC 25 2.6.1 Epitaxiebeziehungen von GaN-Schicht und 6H-SiC(0001)-Substrat 25 2.6.2 Schichtspannungen 28 Kapitel 3 32 Experimentelle Bedingungen 32 3.1 Experimenteller Aufbau 32 3.1.1 UHV-Anlage zur ionenstrahlgestützten Abscheidung 32 3.1.2 Gallium-Effusionszelle 33 3.1.3 Stickstoff-Hohlanoden-Ionenquelle 34 3.1.4 RHEED-System 35 3.1.5 UHV-STM 37 3.2 Probenherstellung 40 3.2.1 Vorbehandlung 40 3.2.2 Abscheide- und Ionenstrahlparameter 41 3.3 Charakterisierung 43 3.3.1 Kristallographische Struktur 44 Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen 44 Röntgenstrahl-Diffraktometrie 49 Röntgenstrahl-Reflektometrie 52 Transmissionselektronenmikroskopie 53 3.3.2 Oberflächentopographie 54 Rastertunnelmikroskopie 54 Rasterelektronenmikroskopie 56 3.3.3 Chemische Zusammensetzung 57 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie 57 Kapitel 4 59 Ergebnisse und Diskussion 59 4.1 GaN-Wachstum auf 6H-SiC(0001) bei Variation des Ion/Atom-Verhältnisses 59 4.1.1 Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 59 4.1.2 Kristallographische Struktur und chemische Zusammensetzung 63 4.1.3 Diskussion: Einfluss des I/A-Verhältnisses 70 4.2 Inselwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 74 4.2.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 75 4.2.2 Einfluss der Substrattemperatur 75 4.2.3 Einfluss der Depositionsdauer 78 4.2.4 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 3D-GaN-Schichten 82 4.3 Inselwachstum: Kristallographische Struktur und Morphologie 84 4.3.1 Morphologie der inselförmigen GaN-Schichten 84 4.3.2 Gitteranpassung und mechanische Spannungen 86 4.3.3 Diskussion: Kubisches GaN und Spannungsaufbau 88 4.4 Zweidimensionales Schichtwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 90 4.4.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 90 4.4.2 Oberflächentopographie ultradünner 2D-Schichten 93 4.4.3 Einfluss der Depositionsdauer 96 4.4.4 Einfluss der Substrattemperatur 99 4.4.5 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 2D-GaN-Schichten 102 4.5 Zweidimensionales Schichtwachstum: Kristallographie und Morphologie 106 4.5.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 106 4.5.2 Einfluss der Depositionsdauer 107 4.5.3 Einfluss der Substrattemperatur 109 4.5.4 Morphologie und Gitterfehlanpassung 112 4.5.5 Koaleszenz von Inseln im Anfangswachstum 116 4.5.6 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf Struktur und Morphologie der 2D-GaN-Schichten 119 4.6 Moduswechsel von 3D- zu 2D-Wachstum bei sequenzieller Abscheidung unter Verringerung des I/A-Verhältnisses 124 Kapitel 5 128 Zusammenfassung und Ausblick 129 Anhang A 134 Anhang B 136 Literaturverzeichnis 137 Danksagung 145 Veröffentlichungen 146 Lebenslauf des Autors 147 Selbständigkeitserklärung 148

Three-dimensional topological insulators (TIs) are a class of materials for which the bulk is insulating, while the surface is necessarily metallic. A band inversion that occurs in the presence of spin-orbit coupling, and conduction and valence bands with opposite parities are necessary conditions for the existence of this class of materials. The metallicity of the surface states appears as a consequence of the topology of the bulk and these states are characterized by massless Dirac dispersions and helical spin polarization that protect the surface states against backscattering. The robustness of the topological surface states further implies that they are not destroyed by non-magnetic impurities or defects. Since their initial conception, a vast amount of theoretical studies have predicted very interesting features stemming from the topological surface states. An example of that can be found when breaking the time-reversal symmetry by introducing magnetic order in the system, which can lead to exotic phenomena such as the quantum anomalous Hall effect. The properties exhibited by these systems are expected to be of high importance both in fundamental research as well as in technological applications. However, the major difficulty remains the access to purely topological surface states. The remaining bulk conductivity of the TIs such as Bi2Se3, Bi2Te3 or Sb2Te3 still hinders the experimental realization of some of the predicted phenomena. This highlights the need of high-quality bulk-insulating materials with ultra-clean surfaces and interfaces, which can only be achieved with delicate sample preparation and characterization methods. The present work is part of the effort to fabricate high-quality TI films in a controlled manner. This shall then allow more complex investigations, such as interface effects and possibilities to engineer the band structure of the TIs. The former will be explored mainly in the form of heterostructures of Bi2Te3 and magnetic insulating layers, whereas the latter will focus on the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures. Most of the important properties of the samples are measured under ultra-high vacuum conditions, ensuring reliable results. Furthermore, in situ capping with ordered Te also allows for more sophisticated ex situ experiments. In a first step, the optimization of Bi2Te3 thin films grown on Al2O3 (0001) substrates was explored. Spectroscopic and structural characterization measurements showed that it is possible to obtain consistently bulk-insulating TI films with good structural quality, despite the lattice mismatch between Bi2Te3 and Al2O3 (0001). Magnetoconductance measurements showed a prominent weak anti-localization effect, confirming the existence of two-dimensional surface states. In order to explore the consequences of breaking the time-reversal symmetry characteristic of TIs, Bi2Te3 was interfaced with several ferro- or ferrimagnetic insulating (FI) layers in heterostructures. EuO, Fe3O4, Y3Fe5O12 and Tm3Fe5O12 were chosen as possible candidates. Systematic optimization and characterization studies showed that interfaces of Bi2Te3 and EuO, as well as Fe3O4 on top of Bi2Te3, yield poor quality samples with significant chemical reactions between the layers. Nevertheless, high-quality Bi2Te3 could be grown on Fe3O4 (001), Fe3O4 (111), Y3Fe5O12 (111) and Tm3Fe5O12 (111). Clean interfaces and intact top topological surface states were confirmed by photoemission spectroscopy. Moreover, transport signatures of a gap opening in the topological surface states were found, namely a suppression of the weak anti-localization effect and the observation of the anomalous Hall effect. However, x-ray circular magnetic dichroism (XMCD) was not observed for any of the heterostructures. A key conclusion from this study is that the ferromagnetism induced by the magnetic proximity effect is too weak to be detected by XMCD. On hindsight, one can infer that the magnetic proximity effect cannot be strong since the bonding between the TI and the magnetic insulator substrate is of the van der Waals type, and not covalent like in transition metal oxides or metallic heterostructures. It is known that a charge compensation between electron- and hole-doping can be achieved when combining Bi2Te3 and Sb2Te3, which can also tune the position of the Dirac point. With this goal in mind, the fabrication of ternary (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 compounds and Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures was explored in the next step. Although pure Sb2Te3 and (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 did not yield good quality samples, the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures emerged as a promising alternative route. Photoelectron spectroscopy allowed not only to identify the crucial role of the first few Sb2Te3 top layers, which modulate the topological surface states, but also to characterize the intermixing of the TI layers at the interface. In a final study, Fe(1+y)Te thin films were grown on MgO (001) substrates employing a Te-limited growth method. This allowed to obtain nominally stoichiometric films, as evidenced by reflection high-energy electron diffraction, x-ray absorption spectroscopy, XMCD and x-ray diffraction measurements. This preliminary study opens the way for the investigation of TI/superconductor interfaces and to delve into the topological superconductivity arising from the proximity effect.