Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von CdSe und (Cd,Mn)Se-Quantenpunkten (QP) auf ZnSe-Puffer. Die QP werden durch einen thermisch aktivierten 2D-3D Übergang eines ursprünglich zweidimensionalen CdSe/(Cd,Mn)Se-Films erzeugt. Die Mechanismen der QP-Bildung werden in-situ mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen und Atom-Kraft-Mikroskopie (UHV-AFM) studiert. Ex-situ Untersuchungen an vergrabenen QP-Strukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Photolumineszenz (PL) /Magneto-PL ergänzen die in-situ Analyse der CdSe Oberfläche. Die Kombination der Analysemethoden ermöglicht erstmalig den Nachweis, dass mit der thermischen Aktivierung eine Stranski-Krastanov-Morphologie aus CdSe QP, mit einem Kern aus reinem CdSe, auf einem geschlossenen CdSe Film erzeugt werden kann. Die statistische Auswertung im UHV-AFM ergibt eine mittlere QP-Höhe von 1,6 nm, eine QP-Dichte von 1100/µm² sowie einen Durchmesser von unterhalb 10 nm. Aus diesen Parametern lässt sich als oberes Limit des QP-Volumens ein Wert von < 0,15 ML ermitteln. TEM-Messungen ergeben, dass Interdiffusion bei der Bildung der QP sowie während dem Überwachsen von untergeordneter Bedeutung ist. Im UHV-AFM zeigt sich, dass CdSe-QP unter Labormaßstäben morphologisch stabil sind. Über einen Zeitraum von 5 Tagen, sowohl im UHV als auch an Umgebungsluft, sind bei Raumtemperatur keine Reifungserscheinungen der CdSe-QP-Morphologie beobachtbar. Das Studium der Bildungskinetik führt zu der Erkenntnis, dass der 2D-3D Übergang von einem zeitlich instabilen Ausgangszustand abhängig ist und somit kinetisch determiniert. Die experimentellen Befunde deuten darauf hin, dass unmittelbar nach dem Wachstum eine Glättung der Oberfläche auf atomarer Ebene einsetzt. In einem einfachen Modell wird die QP-Bildung als Superposition der Glättung und dem Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten des Aufwärtssprungs zum Abwärtssprung zwischen zwei ML-Terrassen beschrieben. Erste Untersuchungen zum Wachstum von (Cd,Mn)Se QP ergeben, dass es mit der thermischen Aktivierung möglich ist bis zu einer Konzentration von ca. 10 % Mn (Cd,Mn)Se QP zu erhalten. Der Einbau des Mn bewirkt eine Reduktion der mittleren QP-Dichte und QP-Höhe. Experimente auf pseudomorphem und relaxiertem ZnSe-Puffer zeigen, dass der entscheidende Einfluss des Mn nicht in der Veränderung der Verspannung liegt, sondern in einer Veränderung der Oberflächendiffusivität. In magneto-optischen Untersuchungen der (Cd,Mn)Se-QP-Strukturen wird eindeutig der Riesen-Zeemaneffekt nachgewiesen. Es werden experimentell effektive g-Faktoren bis zu einem Wert von 220 ermittelt (B = 6T). Der Vergleich mit der Rechnung zeigt, dass das Mn in den QP eingebaut ist. In dieser Arbeit wird das Verständnis der II-VI-QP-Bildung erweitert und eine verbesserte Kontrolle des QP-Ensembles erreicht. Die erzeugten semimagnetischen Strukturen stellen einen Ausgangspunkt für weitergehende optische Experimente dar, an denen in naher Zukunft gezielt einzelne Spins manipuliert und studiert werden können. / In this work CdSe and (Cd,Mn)Se Quantum Dots (QD`s) are grown on ZnSe by molecular beam epitaxy. The QD`s are obtained within a thermicall activated 2D-3D transition of an initially two-dimensional CdSe/(Cd,Mn)Se thin film. The physics behind the 2D-3D transition is investigated in-situ by reflection of high energy electron diffraction and atomic force microscopy (UHV-AFM) measurements. Additionally ex-situ data gained on buried QD structures within Transmission Electron Microscopy (TEM) and Photoluminescence (PL) /Magneto-PL measurements are presented. The study proves for the first time that after the thermal activation a Stranski-Krastanov morphology is established. A statistical evaluation of the QD morphology by UHV-AFM supplies an average QD-height of about 1.6 nm, a QD-density of about 1100/µm² and an upper diameter of about 10 nm. The total QD volume is determined to a value of below 0.15 ML. TEM on overgrown structures reveals QD`s, with a core of pure CdSe, on a closed wetting layer. The data show that interdiffusion is of minor importance for the QD formation as well as during the overgrowth. The stability of the QD morphology is investigated with the UHV-AFM at room temperature. It is shown that the CdSe QD morphology is stable at UHV as well as ambient-air conditions over a time period of 5 days. The experiments demonstrate that CdSe QD`s do not ripen on a laboratory time scale. The investigation of the formation kinetics reveals that the 2D-3D transition is dependent from a unstable precursor state and is therefore determined by kinetics. The experiments indicate that immediately after growth the surface begins to smoothen on an atomar scale. In a simple model the QD formation is described as a superposition of the smoothening and the ratio of upwards and downwards hopping between two ML terraces. First investigations on the growth of (Cd,Mn)Se QD`s show that after the incorporation of up to 10 % Mn semimagnetic QD´s are obtained by the thermal activation. The incorporation of Mn leads to a reduction of the average QD density and QD height. Experiments on pseudomorphic and relaxed ZnSe buffer are compared. It is concluded that strain is not a crucial factor for the QD formation and that probably surface processes like diffusibility of the atomic species play an important role. Magneto-optical investigations of the (Cd,Mn)Se QD structures prove the appearance of the giant-Zeemaneffect. Effective g-values of about 220 have been measured (B = 6T). In a comparison with the calculation the incorporation of Mn into the QD`s is concluded. Within this work the comprehension of the II-VI QD formation is extended and an improved control over the QD morphology is reached. The produced semimagnetic QD structures appear as a starting point for future optical investigations concerning the control of single spins.

Effiziente und erneuerbare Wasserstofferzeugung ist eine der entscheidenden Herausforderungen für eine von fossilen Brennstoffen unabhängige Gesellschaft. Tandem-Absorber-Strukturen, die auf verdünnt Stickstoff-haltigem GaPN/Si(100) basieren, sind vielversprechend für die Wasserstoffproduktion mittels direkter solarer Wasserspaltung. Ihre Herstellung mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) ist anspruchsvoll, insbesondere bezüglich gezielter Präparation der Grenzflächen. Wegen der geringen Gitterfehlanpassung eignen sich pseudomorphe GaP/Si(100) Strukturen als Quasisubstrate für weitere Integration anderer III-V Halbleiter. In der vorliegenden Arbeit wird die atomare Ordnung von Si(100) und GaP(N)/Si(100) Oberflächen, sowie der vergrabenen GaP/Si(100) Heterogrenzfläche in situ mit Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) untersucht. RAS Ergebnisse werden dabei mit Ergebnissen komplementärer Methoden der Oberflächenanalytik im Ultrahochvakuum (UHV) verglichen, beispielsweise mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Die Präparation nahezu eindomäniger, dimerisierter Si(100) Oberflächen gelingt erfolgreich in MOVPE Atmosphäre mit Hintergrundverunreinigungen von (Ga, P) und kann in situ mit RAS kontrolliert werden. Die Untergitterorientierung des GaP Films kann dabei über (i) die Dimerorientierung des Si Substrats, (ii) das (Ga,P) chemische Potential während der Nukleation und (iii) über Modifikation der Si-Oberfläche mit As gesteuert werden. Aus der Korrelation zeitaufgelöster RAS- und XPS-Messungen sowie Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen kann unter typischen Prozessbedingungen auf die kinetisch limitierte Bildung einer Si-P Grenzfläche geschlossen werden. Im Anschluss an eine nur wenige Atomlagen dicke GaP Nukleationsschicht können Antiphasen-Unordnungs-freie GaPN/Si(100) Oberflächen präpariert werden. Diese rekonstruieren analog zu GaP/Si(100) Oberflächen, wenn überschüssiger N vermieden wird. / Renewable and efficient generation of hydrogen is one of the key challenges towards a society being independent from fossil fuels. Tandem absorber structures based on dilute nitride GaPN/Si(100) are promising candidates regarding hydrogen evolution by direct solar water splitting. Their production by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) is challenging, particularly regarding specific preparation of the interfaces. Due to the small lattice mismatch, GaP/Si(100) structures are suitable as quasisubstrates for further integration of III-V semiconductors. In the present work, the atomic order of Si(100) and GaP(N)/Si(100) surfaces, as well as of the buried GaP/Si(100) heterointerface is studied in situ with reflection anisotropy spectroscopy (RAS). RAS results are benchmarked to results from complementary surface science techniques in ultrahigh vacuum (UHV), such as low energy electron diffraction (LEED) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Preparation of almost single-domain dimerized Si(100) surfaces succeeds in MOVPE ambient containing (Ga, P) background residuals and can be controlled in situ with RAS. The sublattice orientation of the GaP films can thereby be selected (i) via the dimer orientation on the Si substrate, (ii) via the (Ga,P) chemical potential during nucleation, or (iii) via modification of the Si surface with As. Correlating time-resolved RAS and XPS measurements as well as density functional theory calculations, for typical process conditions it can be concluded on a kinetically limited formation of a Si-P interface. Subsequent to a GaP nucleation layer, which is only few atomic layers thick, GaPN/Si(100) surfaces free of antiphase disorder can be prepared. These reconstruct in analogy to GaP/Si(100) surfaces if excess N is avoided.

Diese Arbeit präsentiert Untersuchungen zum Wachstum von GaAs Nanodrähten (NWs) und (In,Ga)As Hüllen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit sekundärem Fokus auf den optischen Eigenschaften solcher Kern-Hülle Strukturen. Das ortsselektive Wachstum von GaAs NWs auf mit Oxidmasken beschichteten Si Substraten wird untersucht, wobei der entscheidende Einfluss der Oberflächenpreparation auf die vertikale Ausbeute von NW Feldern aufgedeckt wird. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein zweistufiger Wachstumprozess präsentiert der es ermöglicht NWs mit dünner und gerade Morphologie zu erhalten ohne die vertikale Ausbeute zu verringern. Für die detaillierte Beschreibung der NW Form wird ein Wachstumsmo- dell entwickelt, das die Einflüsse der Veränderung der Tropfen Größe während des Wachstums sowie direktes des Wachstums auf den NW Seitenwänden umfassend beschreibt. Dieses Wachstumsmodell wird benutzt für die Vorhersage der NW Form über einen großen Parameterraum um geeignete Bedingungen für die Realisierung von erwünschten NW Formen und Dimensionen zu finden. Ausgehend von diesen NW Feldern werden die optimalen Parameter für das Wachstum von (In,Ga)As Hüllen untersucht und wir zeigen, dass die Anordnung der Materialquellen im MBE System die Materialqualität entscheidend beeinflusst. Die dreidimensionale Struktur der NWs in Kombination mit der Substratrotation und der Richtungsabhängigkeit der Materialflüsse in MBE resultieren in unterschiedlichen Flusssequenzen auf der NW Seitenfacette welche die Wachstumsdynamik und infolgedessen die Punktde- fektdichte bestimmen. An Proben mit optimaler (In,Ga)As Hülle und äußerer GaAs Hülle zeigen wir, dass thermionische Emission mit anschließender nichtstrahlender Rekombination auf der Oberfläche zu einem starken thermischen Verlöschen der Lumineszenz Intensität führt, welches durch das Hinzufügen einer AlAs Barrierenhülle zur äußeren Hüllenstruktur erfolgreich unterdrückt werden kann. Abschließend wird ein Prozess präsentiert der das ex-situ Tempern von NWs bei hohen Temperaturen ermöglicht, was in der Reduzierung von Inhomogenitäten in den (In,Ga)As Hüllenquantentöpfen führt und in beispiellosen optischen Eigenschaften resultiert. / This thesis presents an investigation of the growth of GaAs nanowires (NWs) and (In,Ga)As shells by molecular beam epitaxy (MBE) with a second focus on the optical properties of these core-shell structures. The selective-area growth of GaAs NWs on Si substrates covered by an oxide mask is investigated, revealing the crucial impact of the surface preparation on the vertical yield of NW arrays. Based on these results, a two-step growth approach is presented that enables the growth of thin and untapered NWs while maintaining the high vertical yield. For a detailed quantitative description of the NW shape evolution, a growth model is derived that comprehensively describes the NW shape resulting from changes of the droplet size during elongation and direct vapour-solid growth on the NW sidewalls. This growth model is used to predict the NW shape over a large parameter space to find suitable conditions for the realization of desired NW shapes and dimensions. Using these GaAs NW arrays as templates, the optimum parameters for the growth of (In,Ga)As shells are investigated and we show that the locations of the sources in the MBE system crucially affect the material quality. Here, the three-dimensional structure of the NWs in combination with the substrate rotation and the directionality of material fluxes in MBE results in different flux sequences on the NW sidefacets that determine the growth dynamics and hence, the point defect density. For GaAs NWs with optimum (In,Ga)As shell and outer GaAs shell, we demonstrate that thermionic emission with successive nonradiative recombination at the surface leads to a strong thermal quenching of the luminescence intensity, which is succesfully suppressed by the addition of an AlAs barrier shell to the outer shell structure. Finally, a process is presented that enables the ex-situ annealing of NWs at high temperatures resulting in the reduction of alloy inhomogeneities in the (In,Ga)As shell quantum wells and small emission linewidths.

Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktivität von V2O3(0001) zu untersuchen. In dieser Arbeit wird sich zunächst mit dem epitaktischen Wachstum von V2O3-Filmen auf Au(111)und W(110) befaßt. Stöchiometrie und Geometrie der dünnen Filme wurden mit Röntgenphotoelektronenspektroscopie (XPS), Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Wir haben gezeigt, dass die Oberfläche zwei Terminierungen aufweist, die sich durch die An- bzw. Abwesenheit von zusätzlichen Sauerstoffatomen auf der Oberfläche unterscheiden. Diese Sauerstoffatome bilden Vanadylgruppen mit den Oberflächenvanadiumatomen, deren Streckschwingung mit Infrarotabsorptionsspektroskopie (IRAS) detektiert werden kann. Die elektronische Struktur des V2O3(0001) dünnen Filmes wurde mittels UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS), XPS und NEXAFS untersucht. Wir haben bewiesen, dass die Bildung von Vanadylgruppen an der Oberfläche einen Metall-Isolator Übergang hervorruft. Für jede Oberflächenterminierung wurde ein elektronenenergieverlustspektrum (HREELS) gezeigt und mit einem Spektrum des isomorphischen Cr2O3 verglichen. Wasseradsorptionsexperimente zeigen, dass Wasser sowohl molekular als auch dissoziativ auf beiden Oberflächen adsorbiert. Die Dissoziationswahrscheinlichkeit hängt von der Terminierung und von der Bedeckung ab. Sie ist am höchsten bei großer Bedeckung auf der -V=O Oberfläche. CO2 Adsorption wurde mit UPS, XPS, HREELS und IRAS untersucht. CO2 physisorbiert auf der -V=O Oberfläche. Den IRA Spektren entnehmen wir, dass CO2 auf der -V Oberfläche als gewinkelte Spezies adsorbiert. Heizen dieser Spezies auf 200 K führt zu Karbonatbildung. Die Adsorption von CO verhält sich ähnlich wie die von CO2: nur kleine Menge adsorbieren auf der -V=O Oberfläche, während die -V Oberfläche viel reaktiver zu sein scheint. Winkelaufgelöste UPS Messungen deuten auf eine flache CO Adsorptionsgeometrie auf der -V=O Oberfläche hin. NEXAF- und IRA-Spektren zeigen dagegen, dass bereits bei 90 K sich CO2 auf der -V Oberfläche bildet. / In this work, we firstly showed that it is possible to grow thin V2O3(0001) films on Au(111) and W(110). The stoichiometry of the film has been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). We inferred with infrared absorption spectroscopy (IRAS) the existence of two possible terminations of the V2O3(0001) surface. These two terminations differ only by the presence or not of oxygen atoms on the top of the surface, forming vanadyl groups with the surface vanadium atoms. We studied with UV photoelectron spectroscopies (UPS), XPS and NEXAFS the electronic structure of our V2O3(0001) thin films. Our data evidence a metal to insulator transition induced by the formation of the vanadyl groups on the surface. We performed high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) measurements and presented a phonon spectrum for each termination. We compared our spectra with a spectrum of the isomorphic Cr2O3(0001). We studied the water adsorption properties of both surface terminations. We observed molecularly adsorbed water on both surface terminations for low exposures. For large exposures, water dissociates and OH-groups were detected. We performed CO2 adsorption experiments with UPS, XPS, HREELS and IRAS. The analyze of the IRAS results on the -V terminated surface leads us to the conclusion that CO2 adsorbs in a bent configuration. With UPS and XPS, we could evidence the formation of carbonates upon heating up to 200 K. On the -V=O surface, CO adsorbs molecularly and we concluded from the angle resolved UPS data that the CO molecule is strongly tilted on the surface. With NEXAFS and IRAS, we showed the formation of CO2 on the -V surface.

Diese Arbeit befasst sich mit der Keimbildung und den Wachstumsmechanismen von GaN-Nanodrähten (NWs), die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Die Hauptneuheiten dieser Studie sind der intensive Gebrauch von in-situ Messmethoden und der direkte Vergleich zwischen katalysatorfreien und katalysatorinduzierten NWs. In der MBE bilden sich GaN-NWs auf Silizium ohne Katalysator. Auf Saphir dagegen wachsen NWs unter den gleichen Bedingungen nur in der Anwesenheit von Ni-Partikeln. Die Nukleationsprozesse sind für beide Ansätze fundamental verschieden. In dem katalysatorinduzierten Ansatz reagiert Ga stark mit den Ni-Keimen, deren Kristallstruktur für das Nanodraht-Wachstum entscheidend sind, während in dem katalysatorfreien Ansatz bildet N eine Zwischenschicht mit Si vor der ausgeprägten GaN-Nukleation. Mittels beider Ansätze wachsen einkristalline wurtzite GaN-NWs in Ga-polarer Richtung. Allerdings sind unter denselben Wachstumsbedingungen die katalysatorinduzierten NWs länger als die katalysatorfrei gewachsenen und enthalten viele Stapelfehler. Im Vergleich sind die katalysatorfreien größtenteils defektfrei und ihre Photolumineszenz ist viel intensiver als jene der katalysatorinduzierten NWs. Alle diese Unterschiede können auf den Katalysator zurückgefürt werden. Die Ni-Partikel sammeln die an den Nanodraht-Spitzen ankommenden Ga-Atome ef?zienter ein als die unbedeckte oberste Facette im katalysatorfreien Fall. Außerdem können Stapelfehler sowohl aus der zusätzlichen Festkörperphase des Ni-Katalysators als auch aus der Verunreinigung der NWs mit Katalysatormaterial resultieren. Solch eine Kontaminierung würde schließlich nicht-strahlende Rekombinationszentren verursachen. Somit mag die Verwendung von Katalysatorkeimen zusätzliche Möglichkeiten bieten, das Wachstum von NWs zu kontrollieren. Jedoch sind sowohl die strukturellen als auch die optischen Materialeigenschaften der katalysatorfreien NWs überlegen. / This work focuses on the nucleation and growth mechanisms of GaN nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE). The main novelties of this study are the intensive employment of in-situ techniques and the direct comparison of self-induced and catalyst-induced NWs. On silicon substrates, GaN NWs form in MBE without the use of any external catalyst seed. On sapphire, in contrast, NWs grow under identical conditions only in the presence of Ni seeds. The processes leading to NW nucleation are fundamentally different for both approaches. In the catalyst-assisted approach, Ga strongly reacts with the catalyst Ni particles whose crystal structure and phases are decisive for the NW growth, while in the catalyst-free approach, N forms an interfacial layer with Si before the intense nucleation of GaN starts. Both approaches yield monocrystalline wurtzite GaN NWs, which grow in the Ga-polar direction. However, the catalyst-assisted NWs are longer than the catalyst-free ones after growth under identical conditions, and they contain many stacking faults. By comparison the catalyst-free NWs are largely free of defects and their photoluminescence is much more intense than the one of the catalyst-assisted NWs. All of these differences can be explained as effects of the catalyst. The seed captures Ga atoms arriving at the NW tip more efficiently than the bare top facet in the catalyst-free approach. In addition, stacking faults could result from both the presence of the additional solid phase constituted by the catalyst-particles and the contamination of the NWs by the catalyst material. Finally, such contamination would generate non-radiative recombination centers. Thus, the use of catalyst seeds may offer an additional way to control the growth of NWs, but both the structural and the optical material quality of catalyst-free NWs are superior.

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.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von GaAs Nanodrähten mittels Molekularstrahlepitaxie. Dabei wird das Wachstum mittels Au- und jenes mittels selbst-induziertem VLS-Mechanismus verglichen. Die Au-induzierte Methode ist als vielseitiger Ansatz für die Herstellung von Nanodrähten bekannt. Darüberhinaus wird seit Neuerem der selbst-induzierte Mechanismus untersucht, bei dem Galliumtropfen die Rolle des Goldes übernehmen, um eine etwaige Verunreinigung mit Au von vornherein auszuschliessen. Mit beiden Wachstumsmethoden erzielen wir GaAs Nanodrähte mit großem Aspektverhältnis und epitaktischer Beziehung zum Si(111) Substrat. Während des Au-induzierten Wachstums entsteht eine parasitäre Schicht zwischen den Drähten, die mittels des selbst-induzierten Mechanismus vermieden werden. Alle GaAs Drähte sind vollständig relaxiert. Die durch die Gitterfehlanpassung (4,1\% zwischen GaAs und Si) verursachte Verspannung wird durch Versetzungen an der Grenzfläche abgebaut. Selbst-induzierte Drähten zeigen ausschließlich unpolare Seitenfacetten, während verschiedene polare Facetten für Au-induzierte Nanodrähte beschrieben werden. Mittels VLS-Nukleationstheorie könnne wir den Einfluss des Tropfenmaterials auf die Stabilität der verschiedenen Seitenfacetten erklären. Optoelektronische Anwendungen benötigen lange Minoritätsladungsträgerlebensdauern bei Raumtemperatur. Daher wurden mit (Al,Ga)As Hüllen ummantelte GaAs Nanodrähte mittels zeitaufgelöster PL vermessen. Das Ergebnis sind 2,5 ns für die selbst-induzierten aber nur 9 ps für die Au-induzierten Nanodrähte. Durch temperaturabhängige PL Messungen kann eine charakteristische Aktivierungsenergie von 77 meV nachgewiesen werden, die nur in den Au-induzierten Nanodrähten vorliegt. Dies suggeriert, dass sich Au aus den Tröpfchen in die GaAs Nanodrähte einbaut und dort als tiefes, nichtstrahlendes Rekombinationszentrum fungiert. / In this work the synthesis of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy (MBE) using the vapour-liquid-solid (VLS) mechanism is investigated. A comparison between Au- and self-assisted VLS growth is at the centre of this thesis. While the Au-assisted method is established as a versatile tool for nanowire growth, the recently developed self-assisted variation results from the exchange of Au by Ga droplets and thus eliminates any possibility of Au incorporation. By both methods, we achieve nanowires with epitaxial alignment to the Si(111) substrates. Caused by differences during nanowire nucleation, a parasitic planar layer grows between the nanowires by the Au-assisted method, but can be avoided by the self-assisted method. Au-assisted nanowires grow predominantly in the metastable wurtzite crystal structure, while their self-assisted counterparts have the zincblende structure. All GaAs nanowires are fully relaxed and the strain arising from the lattice mismatch between GaAs and Si of 4.1\% is accommodated by misfit dislocations at the interface. Self-assisted GaAs nanowires are generally found to have vertical and non-polar side facets, while tilted and polar nanofacets were described for Au-assisted GaAs nanowires. We employ VLS nucleation theory to understand the effect of the droplet material on the lateral facets. Optoelectronic applications require long minority carrier lifetimes at room temperature. We fabricate GaAs/(Al,Ga)As core-shell nanowires and analyse them by transient photoluminescence (PL) spectroscopy. The results are 2.5 ns for the self-assisted nanowires as well as 9 ps for the Au-assisted nanowires. By temperature-dependent PL measurements we find a characteristic activation energy of 77 meV that is present only in the Au-assisted nanowires. We conclude that most likely Au is incorporated from the droplets into the GaAs nanowires and acts as a deep, non-radiative recombination centre.

GaP ist ein Halbleiter mit einer großen Bandlückenenergie und infolgedessen transparent im größten Teil der sichtbaren Wellenlängen. GaP hat außerdem die kleinste Gitterfehlanpasung zu Si (weniger als 0.4%). Das macht GaP ein interessantes Material für monolithische Integration zu III–V Lichtsender auf Si. Diese Arbeit ist eine Untersuchung über die strukturellen und optische Eigenschaften von (Al, Ga) (As, P) Heterostrukturen auf GaP (001) -Substrat aufgewachsen. Die Einflüsse des PH3 Fluss und Wachstumstemperatur untersucht auf dem Kristallqualität und Oberflächenqualität von AlGaP/GaP Heterostructure. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Wachstumstemperatur von 490 oC und ein geknackter (engl. cracked) PH3 Fluss von 2.7 sccm zur besten AlGaP Qualität und gleichzeitig zur guten GaP Qualität führen. Um die ineffiziente Lichtemission von GaP zu überwinden wurde GaAs in der GaP-Matrix gewachsen. Die Entstehung der Quantenpunkte wurde durch die 3.7% Gitterfehlanpassung zwischen GaAs und GaP für GaAs Nenndicke über 1,2 ML. Die optischen Messungen zeigen zwei Peaks im Bereich von 1,7 bis 2,1 eV und die Lumineszenz auf Raumtemperatur für 2,7 und 3,6 ML-Proben. Die hohe Energieemission wird der indirekten Rekombination in den dünnen Quantentröge oder kleine gespannte Quantenpunkte zurückzuführen, Während die niedrige Energie Emission ist aufgrund der direkten Elektron-Loch- Rekombination in der entspannten Quantenpunkte. Die Wirkung von Al wird untersucht auf die energetische Bandausrichtung und auf die elektronische Struktur der (Al,Ga)As Quantenstrukturen. Die optische Spektren zeigten einen blaue Verschiebung (engl. blue shift) mit wachsendem Al-Inhalt und die höchste missionsenergie für die (Al,Ga)As/GaP- Heterostruktur war 2.17 eV die zum indirekten Typ-II-Rekombination zusammenhängt. / Transparency of GaP due to the large indirect bandgap energy and its small lattice mismatch with Si make GaP an interesting candidate for optoelectronic devices in visible wavelength. This thesis is an investigation on the structural and optical characteristics of (Al,Ga)(As,P) heterostructures grown on GaP (001) substrates. The influences of the PH3 flux and growth temperature are studied on the crystal and surface quality of AlGaP/GaP heterostructure. The results indicate the narrow growth window of PH3 = 2.7 sccm and growth temperature = 490oC as the optimized conditions. To overcome the inefficient light emission of indirect GaP, direct bandgap GaAs was grown as the quantum structures in the GaP matrix. The QD formation is driven by the 3.7% lattice mismatch between GaAs and GaP for GaAs nominal thickness above 1.2 ML. The optical measurements show two peaks in the range of 1.7 to 2.1 eV and the luminescence up to room temperature for 2.7 and 3.6 ML samples. The high energy emission is attributed to indirect carrier recombination in the thin quantum wells or small strained quantum dots, whereas the low energy red emission is due to the direct electron-hole recombination in the relaxed quantum dots. The influence of the Al content on the band alignment and electronic structure of (Al,Ga)As quantum structures is studied. The optical spectra illustrate the blueshift of the radiative emission with increasing the Al content and the highest emission energy of 2.17 eV is observed for the (Al,Ga)As/GaP system that is related to the indirect type-II radiative recombination.

Einzelschichten von Graphen-Nanobänders (GNRs) wurden auf SiC(0001)-Substraten mit zwei unterschiedlichen Fehlschnitten bei Temperaturen von 1410 bis 1460 °C synthetisiert. Das GNR-Wachstum lässt sich bei niedriger Stufenkantenhöhe am besten durch eine exponentielle Wachstumsrate, welche mit der Energiebarriere für die Ausdiffusion von Si korreliert ist. Anderseits wird bei Substraten mit höheren Stufenkanten eine nicht-exponentielle Rate beobachtet, was mit der Bildung von mehrlagigen Graphen an den Stufenkanten in Verbindung gebracht wird. Die Sauerstoffinterkalation von epitaktischen GNRs mittels Ausglühen an Luft von Bändern wird als nächstes untersucht, welche auf unterschiedlichen SiC-Substraten gewachsen wurden. Neben der Umwandlung von monolagigem zu zweilagigem Graphen in der Nähe der Stufenkanten von SiC, führt die Sauerstoffinterkalation zusätzlich zu der Bildung einer Oxidschicht auf den Terrassen des Substrats, was die zweilagigen GNRs elektrisch isoliert voneinander zurücklässt. Die elektrische Charakterisierung der zweilagigen GNRs zeigten dass die Bänder durch die Behandlung mit Sauerstoff elektrisch voneinander entkoppelt sind. Eine robuste Lochkonzentration von etwa 1x10¹³ cm-² und Mobilitäten von bis zu 700 cm²/(Vs) wurden für die GNRs mit einer typischen Breite von 100 nm bei Raumtemperatur gemessen. Wohl definierte Mesastrukturen gebildet mittels Elektronenstrahllithographie auf SiC-Substraten, wurde zuletzt untersucht. Die Charakterisierung des Ladungsträgertransports von GNRs die auf den Seitenwänden der strukturierten Terrassen gewachsen wurden, zeigt eine Mobilität im Bereich von 1000 bis 2000 cm²/(Vs), welche für verschiedene Strukturen auf der gesamten Probe homogen ist, was die Reproduzierbarkeit dieses Herstellungsverfahrens hervorhebt, sowie dessen Potential für die Implementierung in zukünftigen Technologien, welche auf epitaktischgewachsenene GNRs basieren. / Monolayer graphene nanoribbons (GNRs) were synthesized on SiC(0001) substrates with two different miscut angles at temperatures ranging from 1410 to 1460 °C. The GNR growth in lower step heights is best described by an exponential growth rate, which is correlated with the energy barrier for Si out-diffusion. On the other hand, a non-exponential rate is observed for substrates with higher steps, which is associated with the formation of few-layer graphene on the step edges. Oxygen intercalation of epitaxial GNRs is investigated next by air annealing ribbons grown in different SiC(0001) substrates. Besides the conversion of monolayer into bilayer graphene near the step edges of SiC, the oxygen intercalation also leads to the formation of an oxide layer on the terraces of the substrate, leaving the bilayer GNRs electronically isolated from each other. Electrical characterization of bilayer GNRs reveals that the ribbons are electrically decoupled from the substrate by the oxygen treatment. A robust hole concentration of around 1x10¹³ cm-² and mobilities up to 700 cm²/(Vs) at room temperature are measured for GNRs whose typical width is 100 nm. Well defined mesa structures patterned by electron beam lithography on the surface of SiC substrates is lastly researched. Transport characterization of GNRs grown on the sidewalls of the patterned terraces shows a mobility in the range of 1000 – 2000 cm²/(Vs), which is homogeneous for various structures throughout the sample, indicating the reproducibility of this fabrication method and its potential for implementation in future technologies based on epitaxially grown GNRs.

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