Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.

Bei der Vertical Gradient Freeze-Züchtung von Halbleiterkristallen bis zu einem Durchmesser von 2″ wurde in einer speziell entwickelten Anlage die Beeinflussung des Wärme- und Stofftransports in der Schmelze durch ein rotierendes Magnetfeld (RMF) untersucht. An GaAs- und Ge-Kristallen konnte bei Einwirkung des RMF eine verminderte Durchbiegung der Phasengrenze aufgrund geringerer radialer Temperaturgradienten festgestellt werden. Die Analyse der Segregationsprozesse ergab unter RMF-Einfluss signifikante Änderungen der Ausdehnung der Diffusionsgrenzschicht vor der Phasengrenze. Dies spiegelte sich in einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung in den Kristallen wider. Die kritische magnetische Taylor-Zahl, die den Übergang von stationärer zu instationärer RMF-Konvektion charakterisiert, konnte für verschiedene Geometrieverhältnisse der Schmelze experimentell bestimmt werden.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallzüchtung von Verbindungen, die extreme Bedingungen erfordern und deren Optimierung. Neben qualitativ hochwertigen Ausgangssubstanzen kommen dabei die Verweindung von Gasgemischen und von Hochdruck in der Kristallzüchtungskammer sowie geringe Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von <0,4 mm/h zum Einsatz. Der Effekt von Hochdruck, insbesondere Sauerstoffhochdruck bis zu 150 bar, wurde während der Züchtung von Oxiden mit dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren, auf die Zusammensetzung und Kristallqualität untersucht. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kommt es bei dieser Methode zu keinen Verunreinigungen durch Tiegelmaterial. Des Weiteren steht die Schmelze in direktem Kontakt zur Atmosphäre und kann mit dieser wechselwirken. Trotz der großen und interessanten Veränderungen die sich dadurch ergeben, gibt es hierzu bisher sehr wenige Forschungsaktivitäten. Dies kann damit erklärt werden, dass bisher die Möglichkeiten fehlten, solche Experimente durchzuführen. Um die genannten Züchtungsbedingungen zu realisieren, müssen entsprechende Anlagen bereitstehen. Ein Bestandteil dieser Arbeit war die Mitarbeit am Design sowie an den Messungen und der Erprobung von Funktionselementen für eine neu konzipierte Kristallzüchtungsanlage für Hochdruckversuche bis 150 bar.

Heusler compounds are cubic intermetallics with a wide range of interesting properties, which are closely related to the structure of the material. In addition, several exotic physical phenomena have been predicted for different compositions in the family, but have not been experimentally realized. By and large, the lack of success in realization of various properties are due to the issues with intrinsic material attributes, which have been difficult to resolve as the relationship between them is not well understood. The aim of this work has been to unravel the entanglement between the intrinsic material attributes of cobalt-based quaternary Heusler compounds such as the structure, defects (disorder), chemical inhomogeneities etc., and the resulting physical properties.

Erstmalig wurden für die VGF-Züchtung von GaAs-Kristallen die verschiedenen Möglichkeiten der Beeinflussung der Kohlenstoffkonzentration untersucht und Möglichkeiten zu deren zielstrebigen Einstellung aufgezeigt. Dies eröffnet auch für die so gezüchteten Kristalle den semi-isolierenden Widerstandsbereich bei niedrigkompensiertem GaAs technologisch sicher einstellen zu können. Anhand umfangreicher experimenteller Daten und thermodynamischer Betrachtungen werden die komplexen Zusammenhänge untersucht und Lösungswege für die technologische Beherrschung aufgezeigt. Das auf die experimentellen Daten angewendete Modell erzeugte die notwendigen Regelparameter für einen gradientenfreien Verlauf der Kohlenstoffkonzentration entlang der Kristallachse. Die Ergebnisse der Dissertation konnten in eine industrielle Fertigungstechnologie übertragen werden.

Die Arbeit befasst sich mit der Herstellung massiver Halbleitereinkristalle nach der Vertical Gradient Freeze (VGF) – Technologie unter dem Einfluss eines kombinierten magnetischen Gleich- und Wechselfeldes. Konkret wurden ein axial statisches und ein wanderndes Magnetfeld eingesetzt, um eine maßgeschneiderte Strömung in der Halbleiterschmelze zu erzeugen. Die Eigenschaften der Strömung wurden anhand von isothermalen Modellexperimenten detailliert untersucht. Des Weiteren wurden numerische Modelle der experimentellen Anordnungen entwickelt und umfangreiche Simulationen zu den auftretenden Magnet-, Strömungs-, Temperatur- und Spannungsfeldern durchgeführt. Der Arbeitsschwerpunkt lag auf der Optimierung der Kristalleigenschaften bei der Züchtung von GaAs- und Ge-Einkristallen. Durch den Einsatz der kombinierten Magnetfelder konnte eine signifikante Verringerung der Durchbiegung der Phasengrenze Schmelze/Kristall und der damit verbundenen thermischen Spannungen im Kristall gezeigt werden. Gleichzeitig wurde eine sehr homogene makroskopische Dotierstoffverteilung ohne auftretende Mikrosegregation erreicht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Kristallzüchtung von Verbindungen, die extreme Bedingungen erfordern und deren Optimierung. Neben qualitativ hochwertigen Ausgangssubstanzen kommen dabei die Verweindung von Gasgemischen und von Hochdruck in der Kristallzüchtungskammer sowie geringe Ziehgeschwindigkeiten im Bereich von <0,4 mm/h zum Einsatz. Der Effekt von Hochdruck, insbesondere Sauerstoffhochdruck bis zu 150 bar, wurde während der Züchtung von Oxiden mit dem tiegelfreien Zonenschmelzverfahren, auf die Zusammensetzung und Kristallqualität untersucht. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kommt es bei dieser Methode zu keinen Verunreinigungen durch Tiegelmaterial. Des Weiteren steht die Schmelze in direktem Kontakt zur Atmosphäre und kann mit dieser wechselwirken. Trotz der großen und interessanten Veränderungen die sich dadurch ergeben, gibt es hierzu bisher sehr wenige Forschungsaktivitäten. Dies kann damit erklärt werden, dass bisher die Möglichkeiten fehlten, solche Experimente durchzuführen. Um die genannten Züchtungsbedingungen zu realisieren, müssen entsprechende Anlagen bereitstehen. Ein Bestandteil dieser Arbeit war die Mitarbeit am Design sowie an den Messungen und der Erprobung von Funktionselementen für eine neu konzipierte Kristallzüchtungsanlage für Hochdruckversuche bis 150 bar.

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.

Strontiumtitanat (SrTiO3) ist ein wichtiges Substratmaterial für die Epitaxie und essenziel für fast alle bekannten oxidbasierten zweidimensionalen Elektronengassysteme. Diese Systeme haben viele mögliche Anwendungen, sind aber anfällig für Versetzungen im Substrat, weswegen das volle Potential mit den kommerziell verfügbaren Kristallen nicht erreicht werden kann. Um die Qualität zu erhöhen, müssen bessere Züchtungsmethoden gefunden werden wozu Verständnis der temperaturabhängigen Materialeigenschaften unerlässlich ist. Für viele Oxide können sehr gute Kristalle mit der Czochralski Methode hergestellt werden. Diese Methode erfordert einen guten Wärmetransport durch den wachsenden Kristall. Ein sehr niedriger Wärmetransport führt zu instabilem Wachstum und manchmal zu Spiralbildung. Weil SrTiO3 einen hohen Schmelzpunkt von ca. 2350 K hat, dominiert der Strahlungswärmetransport. IR-Spektren bei hoher Temperatur zeigen eine starke Absorption an freien Ladungsträgern. UV/VIS-Spektren zeigen, dass die Bandlücke stark temperaturabhängig ist, was zu einer hohen Dichte an freien Ladungsträgern führt. Da die IR-Absorption stark mit der Temperatur zunimmt, bietet Kristallzüchtung bei niedrigeren Temperaturen mehr Kontrolle. Dies kann mit der „top-seeded solution growth“-Methode (TSSG) erreicht werden. Viele der gezüchteten Kristalle zeigen starke Verfärbungen. Die Abhängigkeit der optischen Eigenschaften von der Züchtungsatmosphäre wurde systematisch untersucht. Eine Atmosphäre mit sehr geringer Sauerstoffkonzentration führt zu einer schwarz-blauen Verfärbung und leitfähigen Kristallen, während zu viel Sauerstoff zu einer Braunen Farbe führt. Mit dem richtigen Sauerstoffgehalt ist es möglich farblose Kristalle zu züchten. Die braune Verfärbung in nahezu stoichiometrischen TSSG-Kristallen konnte auf Nanometer große Hohlräume in den Kristallen zurückgeführt werden die das Licht streuen. Diese Nanohohlräume entstehen wahrscheinlich durch die Kombination von Punktdefekten. / Strontium titanate (SrTiO3) is an important epitaxy substrate material which is an essential component in almost all oxide based two-dimensional free electron gas systems. These systems offer many potential applications, but are very sensitive to dislocations in the substrate and their full potential cannot be reached with the commercially available material. To improve crystal quality, alternative growth methods are necessary and to find these, knowledge about the temperature dependent material properties is crucial. For many oxides, high-quality crystals can be produced by using the Czochralski method. For this method, a sufficiently high heat transport through the growing crystal is highly important. Very low heat transport will lead to unstable growth, often resulting in spiraling. Because SrTiO3 has a very high melting point of about 2350 K, radiative heat transport dominates. High temperature IR-spectra show that free charge carriers cause the low radiative heat transport. Temperature dependent UV/VIS spectra show that the band gap shifts strongly with temperature, causing the high free carrier concentration. Since the IR absorption depends heavily on the temperature, growth at lower temperatures is easier to control. This is possible using top seeded solution growth (TSSG). Many of the crystals produced by the growth methods investigated here show strong colorations. The dependence of the color on the growth atmosphere was investigated. Atmospheres with a low oxygen concentration led to blue/black conducting crystals and a high oxygen concentration led to brownish crystals. With the correct oxygen concentration, colorless crystals can be grown. The brown coloration in nearly stoichiometric TSSG crystals was found to be due to light scattering at nanometer sized voids in the crystals. These nano-voids are probably formed by the combination of vacancies.

In dieser Arbeit wurde die Ausgangsverbindung der eisenbasierten Supraleiter, LaFeAsO, durch die Synthese und Charakterisierung von poly- und einkristallinen Proben untersucht. Supraleitung kann in den eisenbasierten Supraleitern durch Elektronen- oder Lochdotierung hervorgerufen werden. Die Substitution von Eisen durch Mangan, formal eine Lochdotierung, hat hingegen einen destruktiven Effekt auf die Supraleitung. Dieser ist bei optimal fluordotiertem LaFeAs(O,F) um Größenordnungen stärker ausgeprägt als bei Nd- oder Sm-FeAs(O,F). Indem Lanthan partiell durch das kleinere Yttrium substituiert wurde, konnte gezeigt werden, dass diese unterschiedlich starke Mangantoleranz durch die Unterschiede im Seltenerdmetall-Ionenradius bedingt ist. Weiterhin finden sich Anzeichen, dass die Unterdrückung der Supraleitung durch Mangan mit Elektronenlokalisierung korreliert ist. Das Fehlen von großen dreidimensionalen Einkristallen der SEFeAsO-Verbindungsklasse stellt ein großes Hindernis in der Erforschung der elektronischen Eigenschaften der eisenbasierten Supraleiter dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Verfahren der Festkörper-Einkristallzüchtung ein geeignetes Mittel darstellt, um große, facettierte SEFeAsO-Einkristalle mit ausgeprägtem Wachstum in c-Richtung zu erhalten. Mit diesem neu entwickelten Einkristallzüchtungsverfahren konnte ein aktualisiertes Phasendiagramm von La(Fe,Co)AsO erstellt werden. Die Substitution von Eisen durch Cobalt entspricht einer Elektronendotierung und führt zu Supraleitung mit einer maximalen Sprungtemperatur von 12 K. Die Ausgangsverbindung LaFeAsO zeigt bei etwa 156 K einen strukturellen Phasenübergang von einer tetragonalen zu einer orthorhombischen Struktur, weiterhin tritt unterhalb von etwa 138 K eine Spindichtewelle auf. In Einklang mit dem bekannten Phasendiagramm werden mit Cobaltdotierung die beiden Übergänge unterdrückt, mit höheren Cobaltkonzentrationen kommt es zu Supraleitung. Anders als beim bekannten Phasendiagramm kann eine deutliche Aufspaltung zwischen magnetischem und strukturellen Übergang bei kleinen Cobaltkonzentrationen beobachtet werden. Außerdem findet sich eine Region der Koexistenz zwischen Supraleitung und Spindichtewelle. Bisher konnte ein solcher Zustand im SE(Fe,Co)AsO-System nicht beobachtet werden.