Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Si-dotierte und undotierte 4” VGF-GaAs Einkristalle unter dem Einfluss von Wandermagnetfeldern (TMF) gezüchtet. Die für den Prozess benötigte Wärme und das Wandermagnetfeld wurden simultan mithilfe der kombinierten Regelung von Gleich- und Wechselströmen in einem KRISTMAG Heizer-Magnet-Modul (HMM) erzeugt. Alle Züchtungsexperimente wurden in einer kommerziellen VGF-Anlage mit eingebautem Eintiegel-HMM und in einer neu entwickelten VGF-Anlage mit Multitiegel-HMM durchgeführt. Der Einfluss der durch die Lorentzkräfte angetriebenen Schmelze auf die Form der fest-flüssig Phasengrenze wurde innerhalb einer TMF-Parameterstudie analysiert. Im Vergleich mit Referenzkristallen, welche ohne TMF gezüchtet wurden, zeigte sich, dass die Durchbiegung der Phasengrenze durch die Anwendung eines geeigneten Doppelfrequenz-TMF um etwa 30% verringert und der Kontaktwinkel am Tiegel um etwa 10% vergrößert werden kann. Zudem wurden Synergieeffekte von TMF-Anwendung und den Ansätzen zur Prozessintensivierung - Scale-Up, Speed-Up und Numbering-Up - für die Verbesserung der Prozesseffizienz erfolgreichnachgewiesen. Es wurden gleichzeitig zwei 4” VGF-GaAs:Si Einkristalle unter dem Einfluss eines TMF in einer Multitiegel-Anlage gezüchtet. In Kristallen, welche ohne oder mit zu starkem TMF gezüchtet wurden, waren Wachstumsstreifen sichtbar. Wurde die magnetische Flussdichte des TMF an den Kristallisationsverlauf angepasst, konnten nahezu keine Mikroinhomogenitäten detektiert werden. Die Länge der Kristallfacetten stabilisierte sich durch den Einsatz der Wandermagnetfelder. Zusätzlich konnten die Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle durch Optimierung des thermischen Aufbaus und der Phasengrenzform signifikant reduziert werden. Mithilfe eines dem Züchtungsverlaufes angepassten Doppelfrequenz-TMF sowie der Nutzung eines BN-Suszeptors, wurde eine durchschnittliche EPD von 100 cm-2 in einem GaAs:Si Kristall erzielt. / Within the framework of this thesis Si-doped and undoped 4” VGF-GaAs single crystals were grown under the influence of traveling magnetic fields (TMF). A KRISTMAG heater-magnet module (HMM) was used for the efficient simultaneous generation of heat and TMF during the process through a combination of DC and AC control. Growth experiments were carried out in a commercial VGF growth setup equipped with a single-crucible HMM and a newly designed VGF setup with a multi-crucible HMM. The impact of the Lorentz force driven melt flow on the shape of the solid-liquid interface was analyzed in a TMF parameter study on frequency, phase shift, and current. With the application of suitable double-frequency TMF during growth, the interface deflection was reduced by about 30% and crucible contact angles increased within the order of 10%, compared to reference crystals grown without TMF. Synergy effects of TMF application on process intensification approaches scale-up, speed-up, and numbering-up were successfully shown. Two 4” VGF-GaAs:Si single crystals were simultaneously grown under the influence of a TMF in the multi-crucible HMM. With TMF application changing structural and electronic properties as well as micro- and macrosegregation were investigated on Si-doped VGF-GaAs single crystals. Striations were observed in crystals grown without or too strong TMF. Almost no micro-inhomogeneities were detected when the magnetic flux densities of the TMF were matched to the progression of solidification. Facets lengths in the crystal cone were found to be more stable with applied TMF. Further, the combined optimization of the conventional thermal setup and a reduction of the interface deflection with TMF application significantly reduced dislocation densities inside the crystals. An average EPD value around 100 cm-2 was obtained for GaAs:Si growth with a growth-matched double-frequency TMF and applied BN susceptor in the single-crucible VGF setup.

Im Gebiet der Spin-Elektronik wird der Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung für Bauelementkonzepte ausgenutzt. Hierbei ist die effiziente elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in einem halbleitenden Material von großer Bedeutung. Die Erzeugung der Spinakkumulation kann mithilfe eines ferromagnetischen Metall-Kontaktes erfolgen. Wird eine elektrische Spannung an die Grenzfläche zwischen dem ferromagnetischen Metall und dem Halbleiter so angelegt, dass spinpolarisierte Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen, spricht man von elektrischer Spininjektion. Bei einer Umkehrung der Spannung werden bevorzugt Elektronen der entgegengesetzten Spinorientierung aus dem halbleitenden Material entfernt. Dieser Prozess wird als Spinextraktion bezeichnet. In dieser Arbeit wird die elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in lateral strukturierten, epitaktischen Hybridstrukturen bestehend aus ferromagnetischen Metallkontakten auf n-dotiertem GaAs untersucht. Allgemein ist neben der Spinpolarisation im Ferromagneten auch die spinunabhängige elektrische Charakteristik eines Kontaktes von zentraler Bedeutung für die effiziente Spinerzeugung. Hier wird gezeigt, dass die gewöhnlichen Strom-Spannungs-Kennlinien die Spininjektionseigenschaften dominieren können. Außerdem wird ein neuartiges Bauelementkonzept vorgestellt und experimentell untersucht. Hierbei handelt es sich um ein lokales Spin-Ventil, welches Spinextraktion statt Spininjektion als Spinerzeugungsprozess verwendet. Im Gegensatz zum gewöhnlichen lokalen Spin-Ventil kann ein solches Extraktions-Spin-Ventil als Baustein eines erweiterten Bauelements angesehen werden, welches auf mehreren, aufeinanderfolgenden Extraktionsprozessen beruht. Die Eigenschaften des Extraktions-Spin-Ventils werden diskutiert und es wird gezeigt, wie seine Funktionalität beispielsweise für das Auslesen der Daten in magnetischen Speichern angewendet werden kann. / The efficient electrical generation of a spin accumulation inside a semiconductor (SC) utilizing the interface with a ferromagnetic metal (FM) is essential for the realization of many spintronic device concepts, in which the spin of the electron is exploited in addition to its charge for computational and memory purposes. At FM/n-type SC hybrid contacts, the application of a reverse bias leads to the injection of spin-polarized electrons into the SC. Alternatively, an applied forward bias can be used to generate a spin accumulation of opposite sign due to the extraction of electrons with a particular spin orientation. In this work, the electrical generation and detection of a spin accumulation is studied using epitaxial and laterally structured ferromagnetic metal/n-type GaAs hybrid systems in various measurement geometries. To achieve a high spin generation efficiency, the spinindependent electrical properties of the contact have to be considered in addition to the choice of the injector material with respect to its degree of spin polarization. Here, it is shown that the current-voltage characteristics can even constitute the dominating design parameter with respect to the spin injection properties. In addition, a novel device concept is presented and studied experimentally. This approach essentially relies on spin extraction as the spin generation process in a local spin valve geometry. In contrast to local spin valves based on spin injection, the presented extraction spin valve can be regarded as a building block of an extended device comprising multiple extraction events along the lateral spin transport channel. It is shown how such multiple extraction spin valves allow for an intriguing functionality, which can be used, for example, for the read-out of data in magnetic memory applications.

In dieser Dissertation wird die spektrale und örtliche Verteilung der Lumineszenz von Heterostrukturen in selbstorganisierten Nanodrähten (ND) mit Hilfe von Kathodolumineszenz-Spektroskopie (KL) im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Diese Methode wird ergänzt durch Messungen der kontinuierlichen und zeitaufgelösten Mikro-Photolumineszenz. Drei verschiedene Strukturen werden behandelt: (i) GaAs-ND bestehend aus Segmenten der Wurtzit (WZ) bzw. Zinkblende (ZB) Kristallstrukturen, (ii) auf GaN-ND überwachsene GaN-Mikrokristalle und (iii) (In,Ga)N Einschlüsse in GaN-ND. Die gemischte Kristallstruktur der GaAs-ND führt zu komplexen Emissionsspektren. Dabei wird entweder ausschließlich Lumineszenz bei Energien unterhalb der ZB Bandlücke, oder aber zusätzlich bei höheren Energien, gemessen. Diese Differenz wird durch unterschiedliche Dicken der ZB und WZ Segmente erklärt. Messungen bei Raumtemperatur zeigen, dass die Bandlücke von WZ-GaAs mindestens 55 meV größer als die von ZB-GaAs ist. Die Lumineszenz-Spektren der GaN-Mikrokristalle enthalten verschiedene Emissionslinien, die auf Stapelfehler (SF) zurückzuführen sind. SF sind ZB Quantentöpfe verschiedener Dicke in einem WZ-Kristall und es wird gezeigt, dass ihre Emissionsenergie durch die spontane Polarisation bestimmt wird. Aus einer detaillierten statistischen Analyse der Emissionsenergien der verschiedenen SF-Typen werden Emissionsenergien von 3.42, 3.35 und 3.29 eV für die intrinsischen (I1 und I2) sowie für extrinsische SF ermittelt. Aus den entsprechenden Energiedifferenzen wird -0.022C/m² als experimenteller Wert für die spontane Polarisation von GaN bestimmt. Die Bedeutung sowohl der piezoelektrischen Polarisation als auch die der Lokalisierung von Ladungsträgern wird für (In,Ga)N-Einschlüsse in GaN-ND gezeigt. Hierbei spielt nicht nur die Lokalisierung von Exzitonen, sondern auch die individueller Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Potentialminima eine Rolle. / In this thesis, the spectral and spatial luminescence distribution of heterostructures in self-induced nanowires (NWs) is investigated by cathodoluminescence spectroscopy in a scanning electron microscope. This method is complemented by data from both continuous and time-resolved micro-photoluminescence measurements. Three different structures are considered: (i) GaAs NWs containing segments of the wurtzite (WZ) and zincblende (ZB) polytypes, (ii) GaN microcrystals overgrown on GaN NWs, and (iii) (In,Ga)N insertions embedded in GaN NWs. The polytypism of GaAs NWs results in complex emission spectra. The observation of luminescence either exclusively at energies below the ZB band gap or also at higher energies is explained by differences in the distribution of ZB and WZ segment thicknesses. Measurements at room temperature suggest that the band gap of WZ GaAs is at least 55 meV larger than that of the ZB phase. The luminescence spectra of the GaN microcrystals contain distinct emission lines associated with stacking faults (SFs). SFs essentially constitute ZB quantum wells of varying thickness in a WZ matrix and it is shown that their emission energy is dominated by the spontaneous polarization. Through a detailed statistical analysis of the emission energies of the different SF types, emission energies of 3.42, 3.35 and 3.29 eV are determined for the intrinsic (I1 and I2) as well as the extrinsic SFs, respectively. From the corresponding energy differences, an experimental value of -0.022C/m² is derived for the spontaneous polarization of GaN. The importance of both carrier localization and the quantum confined Stark effect induced by the piezoelectric polarization is shown for the luminescence of (In,Ga)N insertions in GaN NWs. Not only localized excitons, but also electrons and holes individually localized at different potential minima contribute to the observed emission.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden InSb- und verdünnt-magnetische In_{1-x}Mn_xSb Filme mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren strukturelle und elektronische Eigenschaften untersucht. Die 2 μm InSb-Dünnschichten wurden sowohl auf GaAs(001)-Substrat als auch um 4° in Richtung [110] fehlgeschnittenem Si(001)-Substrat hergestellt. Optimierte InSb-Schichten direkt auf GaAs zeigen eine hohe kristalline Qualität, niedriges Rauschen und eine Elektronenbeweglichkeit von 41100 cm^2/Vs bei 300 K. Die Ladungsträgerkonzentration beträgt etwa 2,9e16 cm^{-3}. Um InSb-Dünnschichten guter Qualität auf Si-Substrat zu realisieren, wurden fehlgeschnittene Substrate benutzt. Zur Reduzierung der Gitterfehlanpassung wurden Pufferschichten gewachsen. Eine Elektronenmobilität von 24000 cm^2/Vs und Ladungsträgerkonzentration von 2,6e16 cm^{-3} wurden bei 300 K nachgewiesen. Diese Probe enthält ein 0,06 μm GaAs/AlSb-Supergitter als Pufferschicht (Wachstumstemperatur war 340°C). Diese Probe zeigt der höheren Dichte der Microtwins und Stapelfehler als auch den Threading-Versetzungen in der schnittstellennahen Region geschuldet. Die Deep-Level Rauschspektren zeigen die Existenz von Deep-Levels sowohl in GaAs- als auch in Si-basierten Proben. Die InSb-Filme auf Si-Substrat zeigen einen kleineren Hooge-Faktor im Vergleich zu Schichten auf GaAs (300 K). Unter Anwendung der optimierten Wachstumsbedingungen für InSb/GaAs wurden verdünnt-magnetische In_{1-x}Mn_xSb-Schichten (bis zum 1% Mangan) auf GaAs (001)-realisiert. Mn verringert die Gitterkonstante und damit den Grad der Relaxation von (In,Mn)Sb-Filmen. In den Proben befindet sich Mn in zwei magnetischen Formen, sowohl als verdünnt-magnetischer Halbleiter (In,Mn)Sb, als auch als MnSb-Cluster. Die Cluster dominieren auf der Oberfläche. Die Curie-Temperatur, Tc, unterscheidet sich für die beiden Formen. Für (In,Mn)Sb ist Tc kleiner als 50 K. Die MnSb-Cluster zeigen dagegen ein Tc über 300 K. / This dissertation describes the growth by molecular beam epitaxy and the characterization of the semiconductor InSb and the diluted magnetic semiconductor (DMS) In_{1-x}Mn_xSb. The 2 µm-thick InSb films were grown on GaAs (001) substrate and Si (001) offcut by 4° toward (110) substrate. After optimizing the growth conditions, the best InSb films grown directly on GaAs results in a high crystal quality, low noise, and an electron mobility of 41100 cm^2/V s Vs with associated electron concentration of 2.9e16 cm^{-3} at 300 K. In order to successfully grow InSb on Si, tilted substrates and the insertion of buffer layers were used. An electron mobility of 24000 cm^2/V s measured at 300 K, with an associated carrier concentration of 2.6e16 cm^{-3} is found for the best sample that was grown at 340°C with a 0.06 μm-thick GaSb/AlSb superlattice buffer layer. The sample reveals a density of microtwins and stacking faults as well as threading dislocations in the near-interface. Deep level noise spectra indicate the existence of deep levels in both GaAs and Si-based samples. The Si-based samples exhibit the lowest Hooge factor at 300 K, lower than the GaAs-based samples. Taking the optimized growth conditions of InSb/GaAs, the DMS In_{1-x}Mn_xSb/GaAs is prepared by adding Mn (x < 1%) into the InSb during growth. Mn decreases the lattice constant as well as the degree of relaxation of (In,Mn)Sb films. Mn also distributes itself to result in two different and distinct magnetic materials: the DMS (In,Mn)Sb and clusters MnSb. The MnSb clusters dominate only on the surface. For the DMS alloy (In,Mn)Sb, the measured values of Curie temperature Tc appears to be smaller than 50 K, whereas it is greater than 300 K for the MnSb clusters.

Diese Arbeit untersucht das Aufwachsen von dünnen GaP-Schichten auf Si(100)-Oberflächen mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) und die damit verbundene Entstehung von Antiphasendomänen (APDs). Die Vermessung der Si(100)-Substratoberfläche, der III-V/Si(100)-Grenzfläche und der abgeschiedenen GaP-Filme mit oberflächenempfindlichen Messverfahren dient der Etablierung APD-freier III-V-Heteroepitaxie auf Si(100). Die Präparation reiner Si(100)-Oberflächen frei von Sauerstoff in der MOVPE-Umgebung konnte durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) belegt werden. Vorwiegend doppelgestufte Substrate wurden sowohl auf 0.1°, 2° als auch 6° fehlorientierten Substraten erzielt. Im Widerspruch zu etablierten Ergebnissen im Ultrahochvakuum richteten sich die Dimere auf 0.1° und 2° Proben senkrecht zu den Doppelstufenkanten aus, vermutlich durch den Einfluss des Wasserstoffs in der MOVPE. Infrarotspektroskopie (FTIR) belegte eine Monohydridterminierung infolge der Präparation, während in-situ Reflexions-Anisotropie-Spectroskopie (RAS) zeigte, dass diese bei höheren Prozesstemperaturen nicht vorliegt. Für die GaP-Heteroepitaxie auf diesen Substraten wurde ein optisches in-situ Messverfahren für die quantitative Bestimmung des APD-Gehaltes entwickelt, welches auf dem eingehenden Verständnis der Rekonstruktionen von GaP(100), der assozierten RAS-Signaturen und dem mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Beugung niedrigenergetischer Elektronen (LEED) etablierten mikroskopischen Verständnis der Oberflächen beruht. Die APD-Quantifizierung mittels RAS wurde durch empirische Korrektur von Interferenzeffekten und optische Modellrechnungen, die auch Rückschlüsse auf die Grenzflächenanisotropie erlauben, deutlich verbessert. Der Abgleich mit unterschiedlichsten Mikroskopiemethoden, basierend auf niedrigenergetischen Elektronen (LEEM), Elektronentransmission (TEM) und Rasterkraftverfahren (AFM) bestätigt die erzielten Ergebnisse. / The present work investigates the growth of thin, pseudomorphic GaP films by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on Si(100) surfaces by a variety of surface-sensitive methods and pays with specific attention to the substrate induced anti-phase disorder in this lattice matched model system for III-V/Si(100) heteroepitaxy. Thorough X-ray photoelectron spectroscopy investigations verified the preparation of clean Si(100) surfaces free of oxygen in the MOVPE ambient. Predominantly double-layer stepped Si(100) surfaces were obtained for 0.1°, 2°, and 6° misoriented substrates. In contrast to results established in ultra-high vacuum (UHV), double-layer steps with dimers oriented perpendicular to their edges were observed, which was attributed to the presence of hydrogen as a process gas in the MOVPE environment. A monohydride termination of Si(100) was determined after substrate preparation by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), while reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) showed the absence of hydrogen termination at higher temperatures. Optical in situ spectroscopy was established as a method for the quantitative evaluation of anti-phase disorder in GaP heteroepitaxy based on a detailed understanding of the GaP(100) surface reconstructions, of the development of the corresponding RAS signatures, and of the associated surface structure studied by scanning tunneling microscopy (STM) and low-energy electron diffraction (LEED). The in situ RAS quantification was greatly improved by empirical correction of thin film interference and optical model calculations, which also enable extraction of the GaP/Si(100) interface anisotropy. The characterization was supported by benchmarking to atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) results as well as to low energy electron microscopy (LEEM), which was used for surface sensitive visualization of anti-phase domains on a mesoscopic length scale.