Diese Dissertation untersucht das selektive Wachstum von Indiumphosphid (InP)-Nanostrukturen auf Silizium-Nanospitzen-Substraten (Si NT) mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie über den Nanoheteroepitaxie-Ansatz (NHE). Durch Anpassung der thermischen Reinigungstemperaturen vor dem Wachstum wurde der Übergang zwischen 1-dimensionalem Nanodraht- (NW) und 3-dimensionalem Nanoinselwachstum auf demselben Wafer demonstriert. Diese Anpassungsfähigkeit ist entscheidend für die Realisierung maßgeschneiderter nanoskaliger Halbleiterbauelemente. Die strukturellen und optischen Eigenschaften von NWs, die auf Si NT(001)-Substraten gewachsen sind, wurden umfassend analysiert. Diese NWs zeigten Polytopie mit sowohl Wurtzit- als auch Zinkblende-Kristallstrukturen und einer Typ-II-Bandausrichtung und wiesen Lumineszenz bei Raumtemperatur auf. Nanoinsel-Proben, die auf Si(001)- und Si(111)-Nanospitzen-Substraten gewachsen sind, behielten eine Zinkblende-Struktur bei und waren vollständig entspannt, was mit den jeweiligen Substraten übereinstimmte. Diese Nanoinseln wiesen jedoch keine Lumineszenz bei Raumtemperatur auf, was auf einen Verbesserungsbedarf des Materials hinweist. Die Wachstumsoptimierung für Nanoinseln auf Si NT(001)-Substraten ergab einen idealen Temperaturbereich von 490°C bis 530°C mit einem konstanten Phosphin-Fluss von 4 sccm und einer Wachstumsrate von 0,7 Å/s, was zu reproduzierbaren und hochwertigen Ergebnissen führte. Ein Testbauelement, das mit n-p dotierten InP-Nanoinseln gefertigt wurde, wurde hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften bewertet, um seine Integration in funktionale Halbleiterbauelemente zu untersuchen. Insgesamt erweitert diese Arbeit das Verständnis des InP-Nanostruktursyntheseprozesses auf Si NT-Substraten mittels NHE und hebt ihr Potenzial für zukünftige Halbleitertechnologien, insbesondere für CMOS-kompatible Anwendungen, hervor. / This thesis investigates the selective growth of Indium Phosphide (InP) nanostructures on Silicon nanotip (Si NT) substrates using gas-source molecular beam epitaxy via the nanoheteroepitaxy (NHE) approach. By adjusting thermal cleaning temperatures prior to growth, the transition between 1-dimensional nanowire (NW) and 3-dimensional nanoisland growth on the same wafer was demonstrated. This adaptability is essential for realizing customized nanoscale semiconductor devices. The structural and optical properties of NWs grown on Si NT(001) substrates were thoroughly analyzed. These NWs exhibited polytypism, featuring both wurtzite and zincblende crystal structures with a type-II band alignment, and showed luminescence at room temperature. Nanoisland samples grown on Si(001) and Si(111) nanotip substrates retained a zincblende structure and were fully relaxed, aligning with their respective substrates. However, these nanoislands did not exhibit room-temperature luminescence, indicating a need for further material improvement. Growth optimization for nanoislands on Si NT(001) substrates identified an ideal temperature range of 490°C to 530°C with a constant phosphine flux of 4 sccm and a growth rate of 0.7 Å/s, ensuring reproducible, high-quality results. A test device fabricated using n-p doped InP nanoislands was assessed for electrical properties to explore their integration into functional semiconductor devices. Overall, this work advances the understanding of InP nanostructure synthesis on Si NT substrates via NHE and highlights their potential for future semiconductor technologies, particularly for CMOS-compatible applications.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen (Al,Ga,In)N-Heterostrukturen mittels plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie. Die Proben werden entlang der polaren [0001]-Richtung und der unpolaren [1100]-Richtung auf SiC(0001)- bzw. g-LiAlO2(100)-Substraten gewachsen. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen, vibronischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer Fehlpassungen und elektrischen Polarisationsfelder aus. Eine Einführung in diese beiden wichtigen Eigenschaften wird gegeben, insbesondere für [0001]- und [1100]-orientierte Schichten. Um Verspannungen und elektrische Polarisationsfelder in korrekter Art und Weise zu berücksichtigen, wird ein effizientes Modell zur dynamischen Simulation von Röntgenbeugungsprofilen formuliert und auf hexagonale sowie kubische Kristalle angewandt. Die Synthese von GaN-Pufferschichten auf SiC(0001)- und g-LiAlO2(100)-Substraten wird diskutiert. Das GaN-Wachstum auf SiC(0001) erfolgt entlang der üblichen polaren [0001]-Richtung. Ein neuartiger Freiheitsgrad der GaN-Epitaxie wird durch das Wachstum von GaN entlang der unpolaren [1100]-Richtung auf g-LiAlO2(100) erreicht. Eine in-situ Strategie zur reproduzierbaren Abscheidung von GaN-Pufferschichten wird erarbeitet, die auf der Kontrolle der Wachstumsparameter durch Beugung von hochenergetischen Elektronen beruht. Die Schichten sind einphasig innerhalb der Nachweisgrenze von Röntgenbeugung und zeichnen sich durch glatte Oberflächen aus, die für das weitere Wachstum von Heterostrukturen gut geeignet sind. Es wird gezeigt, daß die strukturellen Eigenschaften der Pufferschichten sehr stark von der Substratpräparation abhängen. Ausgezeichnete strukturelle Eigenschaften werden auf sauberen und glatten SiC(0001)-Substraten erzielt, wogegen GaN(1100)-Filme unter der schlechteren Oberflächenqualität der g-LiAlO2(100)-Substrate leiden. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwells (MQWs) mit identischer Schichtfolge werden auf den beiden Sorten von GaN-Pufferschichten gewachsen. Wegen der verschiedenen Orientierungen der polaren c-Achse relativ zur Wachstumsrichtung treten in der Rekombination von Ladungsträgern erhebliche Unterschiede auf. Es wird gezeigt, daß in [1100]-orientieren Wells Flachbandbedingungen herrschen. Im Gegensatz dazu existieren starke elektrostatische Felder in [0001]-orientierten Wells. Daher ist die Übergangsenergie von [0001]-orientierten Wells rotverschoben relativ zur Übergangsenergie der [1100]-orientierten Wells. Weiterhin besitzen die [0001]-orientierten Wells sehr viel längere Zerfallszeiten in der Photolumineszenz (PL). Beide Ergebnisse sind in quantitativer Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, die auf selbstkonsistenten Berechnungen von Bandprofilen und Wellenfunktionen mittels der Poisson- und Schrödingergleichungen in der Effektivmassen-Näherung basieren. Die Emission der [0001]-orientierten Wells ist isotrop, während die Emission der [1100]-orientierten Wells stark (>90%) senkrecht zur [0001]-Richtung polarisiert ist. Diese Ergebnisse sind in sehr guter Übereinstimmung mit den unterschiedlichen Valenzbandstrukturen der Wells. Das Wachstum von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird untersucht. Massive Oberflächensegregation von In wird mit Beugung hochenergetischer Elektronen, Sekundärionenmassenspektrometrie, Röntgenbeugung und PL nachgewiesen. Rechteckige In-Profile belegen einen Segregationsmechanismus nullter Ordnung und nicht (wie bei anderen Materialsystemen beobachtet) einen erster Ordnung. Diese In-Segregation während des metallstabilen Wachstums resultiert in MQWs mit geringem Überlapp der Elektronen- und Lochwellenfunktionen, weil die Wells sehr viel dicker als beabsichtigt sind. Eine Verminderung der In-Segregation ist möglich durch N-stabiles Wachstum, führt jedoch zu rauhen Grenzflächen. Eine Strategie zum Wachstum von MQWs mit glatten Grenzflächen und hohen Quanteneffizienzen wird vorgestellt. Die strahlende Rekombination von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird diskutiert. Es wird gezeigt, daß sowohl Zusammensetzungsfluktuationen als auch elektrostatische Felder für ein eingehendes Verständnis der Rekombination berücksichtigt werden müssen. Die Temperaturabhängigkeit der strahlenden Lebensdauer wird gemessen, um die Dimensionalität des Systems aufzuklären. Für ein quantitatives Verständnis wird ein Ratengleichungsmodell zur Analyse der Daten benutzt. Bei niedrigen Temperaturen wird die Rekombination von lokalisierten Zustände geprägt, wohingegen ausgedehnte Zustände bei höheren Tenmperaturen dominieren. Diese Analyse zeigt, daß die Lokalisierungstiefe in diesen Strukturen unterhalb von 25 meV liegt. / In this work, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga,In)N heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The layers are grown along the polar [0001] and the non-polar [1100] direction on SiC(0001) and g-LiAlO2(100) substrates, respectively. We examine the impact of deposition conditions on the structural, morphological, optical, vibrational and electrical properties of the films. An introduction is given to the most important properties of wurtzite nitride semiconductors: strain and electrical polarization fields of a magnitude not found in other III-V semiconductors. Particular emphasis is paid on [0001] and [1100] oriented layers. In order to correctly account for these phenomena in the samples under investigation, an efficient model for the dynamical simulation of x-ray diffraction (XRD) profiles is formulated and presented for wurtzite and zincblende crystals. The deposition of GaN buffer layers on two substrates, SiC(0001) and g-LiAlO2(100), is discussed. The conventional polar [0001] direction is obtained on SiC(0001) substrates. A new degree of freedom for GaN epitaxy is demonstrated by the growth of GaN along a non-polar direction, namely, [1100] on g-LiAlO2(100). An in-situ strategy for the reproducible growth of these GaN buffers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The films are single-phase within the detection limit of high-resolution XRD and exhibit smooth surface morphologies well suited for subsequent growth of heterostructures. The structural properties of these samples are shown to be very sensitive to substrate preparation before growth. Smooth and clean SiC(0001) substrates result in excellent structural properties of GaN(0001) layers whereas GaN(1100) films still suffer from the inferior morphological and chemical quality of g-LiAlO2(100) substrates. Identically designed GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) are deposited on these two types of buffer layers. Significant differences in recombination due to the different orientations of the polar c-axis with respect to the growth direction are detected in photoluminescence (PL). It is demonstrated that flat-band conditions are established in [1100] oriented wells whereas strong electrostatic fields have to be taken into account for the [0001] oriented wells. Consequently, the transition energy of the [0001] oriented wells is red-shifted with respect to the [1100] oriented wells. Furthermore, [0001] oriented wells exhibit significantly prolonged PL decay times. These results are in quantitative agreement with theoretical predictions based on self-consistent effective-mass Schrödinger-Poisson calculations of the band profiles and wave functions. Finally, while the emission from [0001] oriented wells is isotropic, the emission from [1100] oriented wells is strongly polarized (>90%) normal to the [0001] axis in sound agreement with the different valence band structures of the wells. The growth of (In,Ga)N/GaN MQWs is studied. Massive In surface segregation (evidenced by RHEED, XRD, secondary-ion mass-spectrometry and PL) is shown to result in top-hat profiles and is therefore a zeroth order process instead of a first order process as observed for other materials systems. In segregation during metal-stable growth results in quantum wells with poor electron-hole wavefunction overlap since the actual well width is much larger than the intended one. Reduction of In segregation by N-stable conditions is possible but inevitably delivers rough interfaces. A strategy for obtaining (In,Ga)N/GaN MQWs with smooth interfaces and high quantum efficiency is devised. The radiative recombination from (In,Ga)N/GaN MQWs is examined. It is demonstrated that both compositional fluctuations and electrostatic fields have to be taken into account for a thorough understanding of the emission from these structures. The temperature dependence of the radiative decay time is measured to probe the dimensionality of the system. For a quantitative understanding, a rate-equation model is utilized for analyzing the data. For low temperatures, recombination is governed by localized states whereas for high temperatures extended states dominate. This analysis shows that the localization depth in these structures is below 25 meV.

In dieser Arbeit sind Dielektrika mit hoher relativer Permittivität untersucht worden, welche eine Anwendung in dynamischen Halbleiter-Speicherzellen (DRAM) zum Ziel haben. Sie unterstützen das Weiterführen der fortschreitenden Miniaturisierung der Speicherzellen bzw. der Erhöhung der Speicherdichten und dienen als Alternative zu den bisherigen Standardmaterialien SiO2 und Si3N4. Als Herstellungsmethoden für mehrkomponentige Oxide wurden zum einen die Molekularstrahl-Deposition und zum anderen die Ko-Sputterdeposition gewählt, da sie eine sehr große Flexibilität bei der Wahl der abscheidbaren Elemente und Oxide bieten sowie eine hohe Ratenstabilität und Reinheit versprechen. Hierfür wurden Prozesse zur simultanen Abscheidung dünner Schichten aus mehreren Quellen entwickelt und optimiert. Als neuartige Dielektrika wurden ZrO2 und SrZrO3 hergestellt und untersucht. Hierbei wurden besonders die dielektrischen und kristallographischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Stöchiometrie umfangreich analysiert. Die maximale erreichte Dielektrizitäszahl des ZrO2 betrug ca. 30 und die des SrZrO3 ca. 31. Es wurde dargelegt, dass die Dielektrizitätszahl des ZrO2 unter bestimmten Umständen von der Schichtdicke im Bereich von 5 bis 50 nm abhängig ist. Dies konnte durch die Beimischung von Sr erfolgreich stabilisiert werden. Die für DRAM-Anwendungen zum Teil zu hohen Leckstromdichten konnten durch die Entwicklung eines neuen Ausheilverfahrens deutlich verbessert werden. Aufgrund der hohen Dielektrizitätszahl in Verbindung mit gesenkten Leckströmen konnte für ZrO2 eine minimale kapazitätsäquivalente Dicke von CET = 1,2 nm und für SrZrO3 eine CET = 1,4 nm erreicht werden, welche der DRAM-Grenze für Leckstromdichten von J = 100 nA/cm² genügen. Diese Werte sind deutlich geringer als die dünnsten, theoretisch möglichen Schichten des klassischen SiO2 und Si3N4, wodurch sowohl ZrO2 als auch SrZrO3 ihr Potential, als Alternative für Speicheranwendungen zu dienen, unterstreichen. / In this work, dielectrics with a high relative permittivity were investigated, which are intended for the application in dynamic random access memory cells (DRAM). Their successful implementation ensures the continuation of the ongoing scaling of memory devices, thus increasing the storage density. They serve as alternative for the standard materials SiO2 and Si3N4. In order to to grow multi-component oxides, molecular beam deposition as well as co-sputter deposition were chosen, given their high flexibility to evaporate various elements and oxides. Additionally, both hold their promise of a good control of the growth rate and high purity. Therefore processes were developed and optimized for growing thin films by using multiple sources simultaneously. The alternative dielectrics ZrO2 and SrZrO3 were fabricated and analysed. Especially, the dependency of the dielectric and crystallographic properties on the stoichiometry were evaluated comprehensively. The highest achieved relative permittivity for ZrO2 and SrZrO3 were approx. 30 and 31, respectively. Under specific and controllable circumstances, the relative permittivity of ZrO2 was found to depend on the film thickness in the range of 5 to 50 nm. However, the admixture of Sr stabilises the relative permittivity. In some cases, the leakage current densities of ZrO2 and SrZrO3 films were too high for DRAM applications. It was possible to decrease those currents drastically by developing a new healing process. The high permittivity in addition with the improved leakage current densities led in the case of ZrO2 to a minimum capacitance equivalent thickness of CET = 1.2 nm and in the case of SrZrO3 to a CET = 1.4 nm, which fulfill the DRAM leakage current density limit of J = 100 nA/cm². Those values are much lower than the thinnest theoretically possible films of the conventional SiO2 or Si3N4. Therefore, ZrO2 and SrZrO3 accentuate their potential for memory applications.

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 Rahmen der Dissertation wurden molekularstrahlepitaktische Verfahren zur Züchtung von Hetero-und Quantenstrukturen auf der Basis der Gruppe II-Oxide entwickelt. Insbesondere wurde ein Wachstumsregime weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht etabliert, welches die Mischung von CdO und MgO mit ZnO in phasenreiner Wurtzitstruktur ermöglicht, wobei die Gleichgewichtslöslichkeitsgrenzen dramatisch überschritten werden. In den Mischkristallen kann die Bandlücke kontinuierlich von 2.2 bis 4.4 eV eingestellt werden. Das Wachstum verläuft in einem zweidimensionalen Modus und resultiert in atomar glatten Ober- und Grenzflächen. Ausgeprägte RHEED- Intensitätsoszillationen erlauben die atomlagengenaue Kontrolle der Schichtdicken und somit die Realisierung wohl-defi- nierter Einzel- und Mehrfachquantengrabenstrukturen. Diese zeichnen sich durch eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute im gesamten sichtbaren Spektralbereich aus. Laseraktivität kann vom UV bis zum grünen Wellenlängenbereich bei Zimmertemperatur erzielt werden. Das Potenzial dieser Quantenstrukturen in Hinblick auf ihre Anwendung in opto-elektronischen Bauelementen wird diskutiert. / This work focuses on the development of the novel growth approaches for the fabrication of Group II-oxide materials in the form of epitaxial films and heterostructures. It is shown that molecular-beam epitaxial growth far from thermal equilibrium allows one to overcome the standard solubility limit and to alloy ZnO with MgO or CdO in strict wurtzite phase up to mole fractions of several 10 %. In this way, a band-gap range from 2.2 to 4.4 eV can be covered. A clear layerby- layer growth mode controlled by oscillations in reflection high-energy electron diffraction makes it possible to fabricate atomically smooth heterointerfaces and well-defined quantum well structures exhibiting prominent band-gap related light emission in the whole composition range. On appropriately designed structures, laser action from the ultraviolet down to green wavelengths and up to room temperature is achieved. The properties and potential of the "state-of-the-art" materials are discussed in relation to the advantages for their applications in various optoelectronic devices.

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.

Transparent conducting oxides (TCOs) combine optical transparency in the visible region with a high electrical conductivity. In2O3 doped with Sn (widely, but somewhat misleadingly, known as indium tin oxide or ITO) is at present the most important TCO, with applications in liquid crystal displays, touch screen displays, organic photovoltaics and other optoelectronic devices. Surprisingly, many of its fundamental properties have been the subject of controversy or have until recently remained unknown, including even the nature and magnitude of the bandgap. The technological importance of the material and the renewed interest in its basic physics prompted the research described in this thesis. This thesis aims (i) to establish conditions for the growth of high-quality In2O3 nanostructures and thin films by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and (ii) to conduct comprehensive investigations on both the surface physics of this material and its structural and electronic properties. It was demonstrated that highly ordered In2O3 nanoislands, nanorods and thin films can be grown epitaxially on (100), (110) and (111) oriented Y-stabilized ZrO2 substrates respectively. The mismatch with this substrate is -1.7%, with the epilayer under tensile strain. On the basis of ab initio density functional theory calculations, it was concluded that the striking influence of substrate orientation on the distinctive growth modes was linked to the fact that the surface energy for the (111) surface is much lower than for either polar (100) or non-polar (110) surfaces. The growth of In2O3(111) thin films was further explored on Y-ZrO2(111) substrates by optimizing the growth temperature and film thickness. Very thin In2O3 epilayers (35 nm) grew pseudomorphically under high tensile strain, caused by the 1.7% lattice mismatch with the substrate. The strain was gradually relaxed with increasing film thickness. High-quality films with a low carrier concentration (5.0  1017 cm-3) and high mobility (73 cm2V-1s-1) were obtained in the thickest films (420 nm) after strain relaxation. The bandgap of the thinnest In2O3 films was around 0.1 eV smaller than that of the bulk material, due to reduction of bonding-antibonding interactions associated with lattice expansion. The high-quality surfaces of the (111) films allowed us to investigate various aspects of the surface structural and electronic properties. The atomic structure of In2O3 (111) surface was determined using a combination of scanning tunnelling microscopy, analysis of intensity/voltage curves in low energy electron diffraction and first-principles ab initio calculations. The (111) termination has an essentially bulk terminated (1 × 1) surface structure, with minor relaxations normal to the surface. Good agreement was found between the experimental surface structure and that derived from ab initio density functional theory calculations. This work emphasises the benefits of a multi-technique approach to determination of surface structure. The electronic properties of In2O3(111) surfaces were probed by synchrotron-based photoemission spectroscopy using photons with energies ranging from the ultraviolet (6 eV) to the hard X-ray regime (6000 eV) to excite the spectra. It has been shown that In2O3 is a highly covalent material, with significant hybridization between O and In orbitals in both the valence and the conduction bands. A pronounced electron accumulation layer presents itself at the surfaces of undoped In2O3 films with very low carrier concentrations, which results from the fact the charge neutrality level of In2O3 lies well above the conduction band minimum. The pronounced electron accumulation associated with a downward band bending in the near surface region creates a confining potential well, which causes the electrons in the conduction band become quantized into two subband states, as observed by angle resolved photoemission spectra (ARPES) Fermi surface mapping. The accumulation of high density of electrons near to the surface region was found to shrink the surface band gap through many body interactions. Finally epitaxial growth of In2O3 thin films on α-Al2O3(0001) substrates was investigated. Both the stable body centred cubic phase and the metastable hexagonal corundum In2O3 phase can be stabilized as epitaxial thin films, despite large mismatches with the substrate. The growth mode involves matching small but different integral multiples of lattice planes of the In2O3 and the substrate in a domain matching epitaxial growth mode.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l?obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d?étudier les conséquences d?une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l?interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l?électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l?interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l?effet de modifications structurales et/ou chimiques de l?interface par le biais de l?introduction d?une rugosité contrôlée ou d?un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l?introduction d?une rugosité artificielle à l?interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l?effet de magnétorésistance ou l?intensité du couplage antiferromagnétique / Epitaxial magnetic tunnel junctions Fe/MgO/Fe(001) exhibit noteworthy behaviors for both small and large MgO thicknesses. In the first case, a strong antiferromagnetic interaction between Fe layers is observed, whereas symmetry filtering effects occur for large barriers, leading to high TMR values. The aim of the experiments performed during this thesis is to study and link these two behaviors. We consider the effect of a modulation of electrodes and/or interfaces crystalline structure on spin-polarized transport, by means of temperature and voltage analyses. In this framework, we focus on three systems: Fe/MgO(001)/CoFeB hybrid junctions, where the CoFeB electrode is grown by sputtering and in situ recrystallized, textured Fe/MgO/Fe(001) junctions, and finally single crystalline (001)Fe/MgO/Fe junctions with an artificial roughness at the electrode/barrier interface. The antiferromagnetic coupling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) systems with a thin MgO barrier is studied by magnetometry measurements in the [5 K; 500 K] range. We also consider the effect of structural and/or chemical changes resulting from a controlled roughness or a contamination on the coupling. The most interesting results of this thesis are obtained with the introduction of an artificial roughness at the Fe/MgO interface. Unexpectedly, this controlled disorder can improve the magnetoresistance effect or the coupling intensity. In both cases, this result is attributed to a Fe-O hybridization, which emphasizes the role of oxygen in MgO based magnetic tunnel junctions for both behaviors associated with extremely thin or thick barriers

Durante as últimas três décadas, a epitaxia por feixe molecular se estabeleceu como uma técnica excelente para o crescimento de camadas semicondutoras de alta qualidade, tanto para a construção de dispositivos quanto para a pesquisa básica. No entanto ainda não existe um método universalmente aceito para obter-se camadas dopadas do tipo p nesta técnica de crescimento. Neste trabalho, estudamos, otimizamos e comparamos três diferentes métodos para a dopagem de camadas de GaAs do tipo p. Dois desses métodos exploraram o caráter anfotérico do silício em substratos de GaAs(311)A (através da mudança das condições de crescimento) e GaAs(100) (aplicando uma nova técnica chamada epitaxia assistida por gotas (droplets) de gálio). O terceiro método foi baseado no uso do carbono, cujas propriedades como dopante do tipo p são bem conhecidas em outras técnicas de crescimento epitaxial, mas pouco estudadas na epitaxia por feixe molecular. Para verificar a qualidade das camadas dopadas obtidas, crescemos estruturas como poços quânticos parabólicos com alta mobilidade de buracos e dispositivos optoeletrônicos como diodos emissores de luz e laseres. / During the last three decades, molecular-beam epitaxy has emerged as an excellent technique for the growth of high-quality semiconductor layers both for device construction and for basic research. In spite of this fact, there is still a lack of a universally accepted method to obtain p-type doped layers by this growth technique. In this work, we studied, optimized and compared three different methods to get p-type GaAs layers. Two of these methods exploited the amphoteric behavior of silicon atoms both on GaAs(311)A (by changing the growth conditions) and on GaAs(100) (by employing a new growth mode called droplet-assisted epitaxy) substrates. The third method was based on the use of carbon, whose properties as a p-type dopant in GaAs layers are well known in other epitaxial techniques but scarcely investigated in molecular-beam epitaxy. In order to check the quality of the doped layers, we grew structures like high hole-mobility parabolic quantum wells and optoelectronic devices like light-emitting diodes and lasers.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de instrumentação eletrônica para controle e automação de um sistema de crescimento de semicondutores por Epitaxia por Feixes Moleculares. Envolve uma variedade de circuitos analógicos e digitais como: um módulo de aquisição de dados e controle baseado em uma UCP Z-80, contendo algumas interfaces digitais e analógicas multiplexadas, e comunicando-se com um microcomputador através de uma interface serial. Envolve ainda o desenvolvimento de controladores de temperatura analógicos tipo P.I.D., atuação por motores de passo e circuitos de condicionamento de sinal. / In this work is presented the development of electronic instrumentation for automation and control of a Molecular Beam Epitaxy semiconductor growth system. A variety of analog and digital instrumentation circuits have been designed and implemented, including a data acquisition and control system based on a Z-80 CPU, which controls some multiplexed digital and analog interfaces and talks to a microcomputer using serial communication. Other circuits have been also developed, including analog temperature controllers, stepper motor actuators and circuits for signal conditioning.