Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und Untersuchung magnetischer MnAs-Schichten auf halbleitenden GaAs-Substraten. Die einkristallinen MnAs-Schichten wurden unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie auf GaAs abgeschieden. Die detaillierte Darstellung des MnAs-Wachstums beschreibt den Einfluß der Herstellungsbedingungen auf die strukturelle Qualität. Eine systematische Analyse der MnAs-Oberflächenstruktur resultiert in einem Phasendiagramm der Rekonstruktionen. Die Keimbildung von MnAs während des Wachstums der ersten Monolagen wird anhand der Ergebnisse einer in-situ-Analyse diskutiert. Dabei kamen komplementär die Reflexionselektronenbeugung und die Reflexionsdifferenzspektroskopie zum Einsatz. Die strukturellen Eigenschaften der MnAs-Schichten wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Eingehende Studien der Grenzfläche zeigen zwei richtungsabhängige Mechanismen des Abbaus der Gitterfehlpassung in dem Heteroepitaxiesystem MnAs/GaAs. Die Diskussion der magnetischen Eigenschaften erfolgte sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Skala. Die durch Magnetometrie erhaltenen Resultate liefern wichtige Erkenntnisse zum Magnetismus dünner Schichten. Untersuchungen der magnetischen Domänen in MnAs mittels magnetischer Kraftmikroskopie zeigen das komplizierte Wechselspiel zwischen Oberflächentopographie und magnetischer Struktur. Die Abbildung der magnetischen Domänen als Funktion des angelegten magnetischen Feldes gibt Aufschluß über das Magnetisierungsverhalten auf mikroskopischer Skala. / This work investigates the growth and characterization of magnetic MnAs layers on semi-insulating GaAs substrates. The single-crystalline MnAs layers are deposited on GaAs by molecular beam epitaxt. A detailed analysis of the MnAs growth reveals the influence of the growth conditions on the structural quality of the layers. A phase diagram showing four stoichiometry dependent reconstructions is obtained by a systematic analysis of the MnAs surface structure. The nucleation of MnAs during growth of the first monolayers is examined by in-situ reflection electron diffraction and reflectance difference spectroscopy measurements. The structural properties of the MnAs layers are analyzed by transmission electron microscopy. It is found that the lattice mismatch is accommodated at the MnAs/GaAs interface by a coincidence lattice along one direction and by misfit dislocation along the perpendicular direction. The discussion of the magnetic properties covers the macroscopic as well as the microscopic scales. Magnetometry results provide important knowledge about thin film magnetism in MnAs layers. Extensive magnetic force microscopy investigations of the magnetic domains in MnAs illustrate the complicated relationship between surface topography and magnetic structure. Imaging of magnetic domains as a function of the applied magnetic field gives new insights on magnetization behavior on a microscopic scale. The MnAs phase transition at 43° C is investigated by combined X-ray diffraction and magnetization measurements. The MnAs structure changes from the ferromagnetic to the paramagnetic state, accompanied by a crystal structure change from hexagonal to orthorhombic. A detailed analysis of the phase transition provides important information concerning crystal growth and allows optimization of the fabrication conditions.

Das Thema dieser Dissertation ist das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Ga(As,N) und (In,Ga)(As,N). Die Arbeit beginnt mit der Optimierung des Wachstums von Ga(As,N). Aufgrund der hohen Mischbarkeitslücke von GaN in GaAs verursacht der Einbau von Stickstoff in GaAs eine strukturelle Degradation, die von der Substrattemperatur, der Stickstoffkonzentration und der Quantentopfdicke abhängt. Ein weiteres Problem bezüglich des Wachstums von Ga(As,N) sind Punktdefekte, die einen schädlichen Einfluß auf optische Eigenschaften haben. Eine thermische Behandlung verringert die Konzentration dieser Punktdefekte. Dies geht mit einer Steigerung der Photolumineszenz-Intensität einher. Punktdefekte sind zum Beispiel Stickstoff-Dimere, die sich in Gallium- oder Arsen-Vakanzen einbauen. Eine thermische Behandlung bei hohen Temperaturen bewirkt jedoch eine strukturelle Degradation im Ga(As,N)-Materialsystem, die sich in einer Abnahme der Photolumineszenz-Intensität manifestiert. Es wird gezeigt, daß die Temperatur der thermischen Behandlung, die die höchste Photolumineszenz-Ausbeute erzielt, von der Stickstoffkonzentration abhängt. Bezüglich des Wachstums von (In,Ga)(As,N) verursacht die Mischbarkeitslücke von (In,Ga)N in (In,Ga)As ebenfalls eine strukturelle Degradation. Auch im quaternären Materialsystem ist eine thermische Behandlung essentiell für die Verbesserung optischer Eigenschaften. Es wird außerdem gezeigt, daß die thermische Behandlung von (In,Ga)As eine Indiumdiffusion verursacht, die durch den Einbau von Stickstoff gestoppt wird. Die Charakterisierung von (In,Ga)(As,N) kantenemittierenden Lasern zeigt Emissionen bei Wellenlängen bis zu 1366 nm. Mit dem Einbau von Stickstoff ist ein Anstieg der Schwellstromdichte und ein Abfall der Emissionsleistung verbunden. / This dissertation deals with the MBE growth and characterization of Ga(As,N) and (In,Ga)(As,N). The work commences with the optimization of the Ga(As,N) growth. Owing to a large miscibility gap of GaN in GaAs, the incorporation of nitrogen into GaAs causes a structural degradation that is dependent on the substrate temperature, the nitrogen concentration, and the quantum well thickness. Another problem related to the growth of Ga(As,N) are point defects that have a detrimental influence on optical properties. A thermal treatment of Ga(As,N) reduces the concentration of these point defects. This leads to a substantial improvement of optical properties. We will show that nitrogen split interstitials that incorporate into gallium and arsenic vacancies may be attributed to these point defects. A thermal treatment of Ga(As,N) at high temperatures, on the contrary, results in a creation of extended defects which are detrimental to optical properties. We will show that the temperature of the thermal treatment that yields the highest photoluminescence intensity is nitrogen concentration-dependent. The growth of (In,Ga)(As,N) is similar with respect to Ga(As,N). Again, one has to face a high miscibility gap of (In,Ga)N in (In,Ga)As that results in a structural degradation. A thermal treatment of (In,Ga)(As,N) is also beneficial for improving optical properties. We will show that a thermal treatment of (In,Ga)As results in an indium diffusion that is suppressed by the incorporation of nitrogen. The characterization of (In,Ga)(As,N) edge emitting lasers shows emission at wavelengths up to 1366 nm. With higher nitrogen concentrations, there is a strong increase of the threshold current density and a decrease of the output power.

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.

In dieser Arbeit wurden die komplexen Mechanismen für den Einbau von Mg und In in (Ga,In)N/GaN(0001)-Heterostrukturen, die mittels PA-MBE hergestellt wurden, mit morphologischen, optischen und elektrischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Darüber hinaus wurde die Verwendung von (Ga,In)N/GaN SPSLs als HIL oder als aktiver Bereich in herkömmlichen LED-Strukturen untersucht. In-situ-Messungen zeigten, dass die Desorption von In in Gegenwart von N und Mg auf der GaN(0001)-Oberfläche zunimmt. Ferner wurden Mg-dotierte (Ga,In)N/GaN-SLs mittels PAMBE gezüchtet und mittels QMS, XRD und SIMS charakterisiert. Die (Ga,In)N/GaN-SLs zeigten eine bessere Oberflächenmorphologie als die (Ga,In)N-Schichten, die homogen mit Mg dotiert wurden. Jedoch wurde eine deutliche Abnahme des In-Gehalts in der (Ga,In)N ML festgestellt, wenn Mg gleichzeitig mit In zugeführt wurde. Gleichzeitig nahm die Mg-Konzentration in Gegenwart von In zu, was möglicherweise auf eine Wirkung als oberflächenaktive Substanz zurückzuführen ist. Für das SL, bei dem nur die (Ga,In)N-QWs mit Mg dotiert waren, wurde vom Messergebnis von SIMS eine maximale Mg-Konzentration von 2,6 × 1022 cm-3 für eine 1 ML dicke (Ga,In)N:Mg-Schicht deduziert. Zusätzlich haben andere Experimente ähnliche Ergebnisse aufgezeigt. Thermoleistung-Studien zeigten, dass das Delta-dotierte SL und die SL-Strukturen mit Mg-Dotierung in 20% der QB p-leitfähig sind. Zusätzlich wurde ein Gleichrichterverhalten der (Ga,In)N/GaN SL-Strukturen mit einem Idealitätsfaktor von weniger als 10 für die QW-dotierten SLs demonstriert. Ausgehend von der elektrischen Charakterisierung wurden drei verschiedene LED-Strukturen, die auf den vielver-sprechendsten Mg-dotierten (Ga,In)N SL-Strukturen (Delta-dotiertes SL und 20% QB-dotiertes SL) basierten, hergestellt und charakterisiert. / In this thesis, the complex mechanisms for the incorporation of Mg and In in (Ga,In)N/GaN(0001) heterostructures prepared by PA-MBE were investigated by morphological, optical, and electrical characterization methods. Furthermore, the implementation of (Ga,In)N/GaN SPSLs as a HIL or as the active region in conventional LED structures have been studied. In-situ measurements demonstrate that the desorption of In increases in the presence of both, N and Mg on the GaN(0001) surface. Further, (Ga,In)N/GaN SLs with Mg-doping grown by PAMBE and their characterization was carried out by QMS, XRD, and SIMS. A better surface morphology was obtained for the (Ga,In)N/GaN SLs in comparison to a (Ga,In)N layer homogeneously doped with Mg. Although, a notable decrease of the In content in the (Ga,In)N ML was revealed when Mg was supplied simultaneously to In. At the same time, the Mg concentration increased in the presence of In, which can possibly be attributed to a surfactant effect. For the SL that had only its (Ga,In)N QWs doped with Mg, a maximum Mg concentration of 2.6 × 1022 cm 3 for a 1 ML thick (Ga,In)N:Mg layer was deduced from SIMS measurements. Additionally, similar results have achieved later by another set of experiments. Thermopower studies revealed the p-type conductivity of the delta doped SL and of the SL structures with 20% of the QB doped by Mg. Additionally, a rectifying behavior with an ideality factor lower than 10 was demonstrated for the (Ga,In)N/GaN SL structures with QW fully doped. Based on the electrical characterization, three different LED structures were fabricated based on the most promising Mg-doped (Ga,In)N SL structures (delta doped SL, and 20% QB doped SL) and characterized.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Wachstum von Dünnschichtstrukturen, die zur Herstellung eines Spin-selektiven Schottky-Barrier-Tunneltransistors (SS-SBTT) erforderlich sind. Das Bauelement basiert auf dem Transport von Ladungsträgern durch eine dünne halbleitende (SC) Schicht, die zwei ferromagnetische (FM) Kontakte trennt. Daher müssen hochqualitative und gitterangepasste vertikale FM/SC/FM-Trilayer gezüchtet werden, was aufgrund der inkompatiblen Kristallisationsenergien zwischen SC und Metallen eine experimentelle Herausforderung darstellt. Das Problem wurde mit einem Festphasenepitaxie-Ansatz gelöst, bei dem eine dünne amorphe Ge-Schicht (4-8 nm) durch Ausglühen über Fe3Si auf GaAs(001)-Substraten kristallisiert wird. Langsame Glühgeschwindigkeiten bis zu einer Temperatur von 260°C konnten ein neues gitterangepasstes Polymorph von FeGe2 erzeugen, über das ein zweites Fe3Si mittels Molekularstrahlepitaxie gezüchtet werden könnte. SQUID-Magnetometermessungen zeigen, dass die dreischichtigen Proben in antiparallele Magnetisierungszustände versetzt werden können. Vertikale Spin-Ventil-Bauelemente, die mit verschiedenen Trilayern hergestellt wurden, wurden verwendet, um zu demonstrieren, dass der Ladungstransport über die Heteroübergänge spinselektiv ist und bei Raumtemperatur einen Magnetowiderstand von höchstens 0,3% aufweist. Der Effekt nimmt bei niedrigen Temperaturen ab, was mit einem ferromagnetischen Übergang in der FeGe2-Schicht korreliert. Durch TEM- und XRD-Experimente konnte festgestellt werden, dass das neue FeGe2-Polymorph die Raumgruppe P4mm aufweist und bis zu 17% Si-Atome als Ersatz für Ge-Stellen enthält. Die Isolierung von FeGe2 war möglich, indem das Verhältnis von Fe-, Si- und Ge-Atomen so eingestellt wurde, dass die richtige Stöchiometrie bei vollständiger Durchmischung erreicht wurde. Anhand von FeGe2-Dünnschichten wurde ein zunehmender spezifischer Widerstand bei niedriger Temperatur und ein semi-metallischer Charakter beobachtet. / This thesis discusses the growth of thin film structures required to fabricate a Spin-Selective Schottky Barrier Tunnel transistor (SS-SBTT). The device relies on charge carriers being transported through a thin semiconducting (SC) layer separating two ferromagnetic (FM) contacts. Thus, high quality and lattice-matched FM/SC/FM vertical trilayers must be grown, which is experimentally challenging due to incompatible crystallization energies between SC and metals. The problem was solved using a solid-phase epitaxy approach, whereby a thin amorphous layer of Ge (4-8 nm) is crystallized by annealing over Fe3Si on GaAs(001) substrates. Slow annealing rates up to a temperature of 260°C could produce a lattice-matched Ge-rich compound, over which a second Fe3Si could be grown my molecular-beam epitaxy. The compound obtained during annealing is a new layered polymorph of FeGe2. SQUID magnetometry measurements indicate that the trilayer samples can be placed in states of antiparallel magnetization. Vertical spin valve devices created using various trilayers were used to demonstrate that charge transport is spin-selective across the heterojunctions, showing a magnetoresistance of at most 0.3% at room temperature. The effect decreases at low temperature, correlating with a ferromagnetic transition in the FeGe2 layer. TEM and XRD experiments could determine that the new FeGe2 polymorph has a space group P4mm, containing up to 17% Si atoms substituting Ge sites. Isolating FeGe2 was possible by tuning the proportion Fe, Si and Ge atoms required to obtain the right stoichiometry upon full intermixing. Hall bars fabricated on FeGe2 thin films were used to observe an increasing resistivity at low temperature and semimetallic character.

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.

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. / 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.