Feinfokussierte Ionenstrahlen dienen in den Gebieten der Halbleiterindustrie und Materialforschung der Mikro- und Nanostrukturierung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den beiden Hauptanwendungen von fokussierten Ionenstrahlen, dem Materialabtrag und der ionenstrahlinduzierten Materialabscheidung. Dabei wird die hochauflösende Ionensäule CANION 31Z der Firma Orsay Physics mit Stromdichten von bis zu 10 A/cm2 und mit integriertem Gassystem eingesetzt. Es wird ausführlich auf Anwendungsbeispiele von Fokussierten Ionenstrahlsystemen im Bereich der Industrie und Forschung eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die Abscheidung von Wolfram aus dem Precursorgas W(CO)6 (Wolframhexacarbonyl) auf Si und SiO2 als Substrat untersucht, mit dem Ziel, gut leitfähige Drähte (hier im Sinne von Leiterbahnen) mit minimalem Querschnitt herzustellen. Die Optimierung der Ionenstrahl-Parameter dieser Feinfokussierten Ionenstrahlanlage bezüglich der Abscheidung steht im Vordergrund. Dabei wird ein kurzer Einblick in die Theorie der Schichtentstehung beim Abscheidevorgang gegeben. Untersuchungen der erzeugten Strukturen entsprechend der Schichtqualität und der Strukturabmessungen werden erläutert und die Ergebnisse diskutiert. Es konnten Wolframdrähte mit einer Länge von 20 ... 100 µm, einer Breite von minimal 150 nm und einer Höhe von maximal 600 nm angefertigt werden. Die Zusammensetzung der Drähte in Abhängigkeit der Prozessparameter wurde mittels AES bestimmt. Im optimalen Fall wurden die Schichtanteile zu 80% W, 5% O, 6% C und 9% Ga ermittelt (Angaben in Atomprozent). Der spezifische Widerstand der Wolframdrähte ist im Bereich 150 ... 320 µWcm gemessen worden.

Feinfokussierte Ionenstrahlen dienen in den Gebieten der Halbleiterindustrie und Materialforschung der Mikro- und Nanostrukturierung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den beiden Hauptanwendungen von fokussierten Ionenstrahlen, dem Materialabtrag und der ionenstrahlinduzierten Materialabscheidung. Dabei wird die hochauflösende Ionensäule CANION 31Z der Firma Orsay Physics mit Stromdichten von bis zu 10 A/cm2 und mit integriertem Gassystem eingesetzt. Es wird ausführlich auf Anwendungsbeispiele von Fokussierten Ionenstrahlsystemen im Bereich der Industrie und Forschung eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die Abscheidung von Wolfram aus dem Precursorgas W(CO)6 (Wolframhexacarbonyl) auf Si und SiO2 als Substrat untersucht, mit dem Ziel, gut leitfähige Drähte (hier im Sinne von Leiterbahnen) mit minimalem Querschnitt herzustellen. Die Optimierung der Ionenstrahl-Parameter dieser Feinfokussierten Ionenstrahlanlage bezüglich der Abscheidung steht im Vordergrund. Dabei wird ein kurzer Einblick in die Theorie der Schichtentstehung beim Abscheidevorgang gegeben. Untersuchungen der erzeugten Strukturen entsprechend der Schichtqualität und der Strukturabmessungen werden erläutert und die Ergebnisse diskutiert. Es konnten Wolframdrähte mit einer Länge von 20 ... 100 µm, einer Breite von minimal 150 nm und einer Höhe von maximal 600 nm angefertigt werden. Die Zusammensetzung der Drähte in Abhängigkeit der Prozessparameter wurde mittels AES bestimmt. Im optimalen Fall wurden die Schichtanteile zu 80% W, 5% O, 6% C und 9% Ga ermittelt (Angaben in Atomprozent). Der spezifische Widerstand der Wolframdrähte ist im Bereich 150 ... 320 µWcm gemessen worden.

The DNA double helix is inherently a nanoscale wire-like object, possessing a 2 nm diameter as well as a remarkable capability for molecular recognition and the interaction with other chemical compounds, thus making it an attractive material for biologically driven assembly of artificial nanostructures. In this work methods for the construction of functional electronic networks from single DNA molecules are presented. For this, (i) the generation of patterns of distinct interconnects between micro-fabricated contact pads are explored by stretching end-specifically thiol-functionalized, single-tethered DNA molecules using hydrodynamic flow as well as an electric field-induced thermal flow. (ii) These networks then serve as a template for a selective in-situ photoinduced nucleation and growth of platinum clusters of 4 nm diameter along the DNA molecules. In the synthesis exclusively platinum ions from an aqueous platinum nitrate solution bonded electrostatically to the backbone of the immobilized DNA can be reduced upon irradiation with UV light, while background metallization is inhibited. Furthermore, the metallization scheme is applied to DNA nanotubes and another photochemical deposition process is used to tune the interparticle gap space in a discontinuous platinum cluster chain to form conducting nanowires. The "process toolbox'' presented in this work offers a versatile alternative for the hierarchical patterning and incorporation of biotemplated nanomaterials into micro-/nanofabrication schemes. / Ein doppelhelikaler DNA-Strang besitzt mit seinem hohen Aspektverhältnis von Natur aus Ähnlichkeit mit einem Kabel. Zusammen mit seinen einzigartigen Selbstassemblierungseigenschaften sowie der Fähigkeit, mit einer Vielzahl von chemischen Stoffen eine Verbindung einzugehen, macht dies ihn zu einem aussichtsreichen Baumaterial für den Aufbau von künstlichen Nanostrukturen. In dieser Arbeit werden deshalb verschiedene Methoden für den Bau von elektronischen Schaltkreisen aus einzelnen DNA-Strängen demonstriert. Dazu wird (i) die Herstellung von Verdrahtungsmustern zwischen lithographisch gefertigten Kontaktstrukturen untersucht. Endständig mit Thiolgruppen funktionalisierte DNA-Moleküle, die an nur einem Ende mit der Oberfläche verknüpft sind, werden mittels Strömung oder eines elektrothermisch induzierten Flusses zwischen Elektroden gespannt. (ii) Diese Netzwerke dienen im Weiteren als Vorlage für ein selektives, lichtinduziertes Wachstum von Platinpartikeln mit Durchmessern von 4 nm lokal entlang der DNA-Moleküle. Dabei werden unter UV-Bestrahlung nur solche Platinionen reduziert, die aus einer Platinnitrat-Lösung elektrostatisch an die immobilisierte DNA angebunden haben. Partikelwachstum in der umgebenden Lösung wird weitgehend verhindert. Darüber hinaus wird dieses Verfahren auch auf DNA-Nanoröhren angewendet und ein weiterer photochemischer Abscheideprozess eingesetzt, um unterbrochene Clusterkettern zusammenzuwachsen, mit dem Ziel, elektrisch leitfähige Nanodrähte zu erhalten. Die vorgestellten Verfahren stellen eine vielseitige Alternative zu herkömmlichen, hierarchischen Fabrikationsschemen der Mikro- und Nanotechnologie dar.

The precise determination of the type and concentration of gases is of increasing importance in numerous applications. Despite the diverse operating principles of today´s gas sensors, technological trends can be summarized with the keyword miniaturization, because of the resulting benefits such as integrability and energy efficiency. This work deals with the development and fabrication of novel nanowire based gas sensors, which in comparison to conventional devices have an advantageous combination of high sensitivity and selectivity with low power consumption and small size. On the basis of grown silicon nanowires, sensors based on the functional principle of classical Schottky barrier field effect transistors with abrupt metal-semiconductor contacts are fabricated. The sensing performance of the devices is investigated with respect to the detection of ammonia. Ammonia concentrations down to 170 ppb are measured with a sensor response of more than 160 % and a theoretical limit of detection of 20 ppb is determined. Selectivity investigations show that no cross sensitivity to most common solvents occurring in living spaces exists. Moisture influences on the device are studied and reveal that the sensor responds within seconds, making it potentially suitable as humidity sensor. Moreover, it is shown that a higher relative humidity and higher temperatures decrease the sensor sensitivity. In terms of possible applications, it is a great advantage that the maximum sensitivity is achieved at 25 °C. With respect to sensitivity and selectivity an enhancement is demonstrated compared to most nanosensors known from the literature. Hence, the technology offers the potential to complement conventional measurement systems in future sensor technology especially in portable applications. / Die präzise Bestimmung der Art und Konzentration von Gasen erlangt in zahlreichen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Trotz der vielfältigen Wirkprinzipien heutiger Gassensoren lassen sich die technologischen Trends mit dem Schlagwort Miniaturisierung zusammenfassen, da sich daraus entscheidende Vorteile wie Integrierbarkeit und Energieeffizienz ergeben. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger nanodrahtbasierter Gassensoren, welche im Vergleich zu klassischen Sensoren eine vorteilhafte Kombination von hoher Sensitivität und Selektivität bei geringem Stromverbrauch und geringer Größe aufweisen. Auf der Grundlage gewachsener Silizium-Nanodrähte werden Sensoren mit abrupten Metall-Halbleiter-Kontakten hergestellt, welche auf dem Funktionsprinzip klassischer Schottkybarrieren-Feldeffekttransistoren beruhen. Die Eignung der Sensoren wird in Bezug auf die Detektion von Ammoniak untersucht. Dabei kann eine minimale Ammoniakkonzentration von 170 ppb mit einer Signaländerung von mehr als 160 % gemessen werden, wobei die theoretische Nachweisgrenze mit 20 ppb ermittelt wird. Selektivitätsuntersuchungen zeigen, dass keine Querempfindlichkeit gegenüber den am häufigsten in Wohnräumen vorkommenden Lösungsmitteln besteht. Feuchtigkeitseinflüsse auf den Sensor werden untersucht und es wird nachgewiesen, dass der Sensor Ansprechzeiten im Sekundenbereich besitzt, was ihn zu einem potenziell geeigneten Feuchtigkeitssensor macht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine höhere relative Luftfeuchtigkeit und höhere Umgebungstemperaturen die Sensorsensitivität verringern. In Bezug auf mögliche Einsatzgebiete stellt die maximale Empfindlichkeit bei 25 °C einen großen Vorteil da. Bezogen auf Sensitivität und Selektivität wird somit eine Verbesserung im Vergleich zu den meisten aus der Literatur bekannten Nanosensoren demonstriert. Damit bietet die Technologie das Potential, konventionelle Messsysteme in zukünftiger Sensorik vor allem in portablen Anwendungen zu ergänzen.

Thin films and nanowires of Co-Pt have been prepared by means of electrodeposition. Composition, structure, microstructure and magnetic properties have been intensively studied using X-ray diffraction, scanning electron microscopy and vibrating sample magnetometry and correlated to the deposition parameters such as electrolyte composition, deposition current and/or potential. Co rich Co-Pt films have been deposited at various current densities. A nearly constant composition of Co70Pt30 was achieved for current densities between 18 and 32 mA/cm². Detailed texture measurements confirmed an increasing fraction of the hexagonal phase with its c-axis aligned perpendicular to the film plane with increasing current density. Accordingly, magnetic properties are strongly affected by the magnetocrystalline anisotropy of the hexagonal phase that competes with the shape anisotropy of the thin film geometry. Co-Pt nanowires have been prepared within alumina templates at different deposition potentials between -0.6 and -0.9VSCE changing the composition from nearly pure Pt to Co. The composition Co80Pt20 was observed at a deposition potential of -0.7VSCE. Co-Pt nanowires are nanocrystalline in the as-deposited state. Magnetic measurements reveal changing fcc and hcp phase fractions within the wires as the effective anisotropy significantly differs from the expected shape anisotropy for nanowires with high aspect ratio. This change in effective anisotropy is attributed to the preferential alignment of the c-axis of hcp Co-Pt phase perpendicular to the nanowires axis. A promising alternative with much smaller feature sizes is the diblock copolymer template. Electrodeposition of Co and Co-Pt into these templates has been carried out. Inhomogeneities in the template thickness as well as a certain substrate roughness have been identified to be the reasons for inhomogeneous template filling. Thus magnetic properties are dominated by large deposits found on top of the template. Additionally, rolled-up tubes of several nm thick Au/Co/Au films have been characterized magnetically. Temperature dependent measurements show an exchange bias behaviour that is explained in terms of induced stresses during cooling. Changes of magnetic properties in the investigated samples are finally discussed in terms of competing effects of different magnetic anisotropies in various geometries. / Co-Pt Dünnschichten und Nanodrähte wurden mittels elektrochemischer Abscheidung hergestellt. Zusammensetzung, Struktur, Mikrostruktur und magnetische Eigenschaften wurden intensiv mit Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie und Magnetometrie untersucht und mit den Depositionsparametern wie Elektrolytzusammensetzung, Abscheidestrom und/oder-potential korreliert. Co reiche Co-Pt-Filme wurden mit verschiedenen Stromdichten hergestellt. Eine nahezu konstante Zusammensetzung im Bereich Co70Pt30 wurde für Stromdichten zwischen 18 und 32 mA/cm² erreicht. Detaillierte Texturmessungen bestätigen einen zunehmenden Anteil an hexagonaler Phase mit senkrecht zur Filmebene ausgerichteter c-Achse mit zunehmender Stromdichte. Dementsprechend werden die magnetischen Eigenschaften stark von der magnetokristallinen Anisotropie der hexagonalen Phase beeinflusst, die mit der Formanisotropie der Dünnschicht-Geometrie konkurriert. Co-Pt-Nanodrähte wurden in nanoporöse Aluminiumoxidmembranen bei verschiedenen Potentialen zwischen -0,6 und -0.9 VSCE abgeschieden, wobei sich die Zusammensetzung von nahezu reinem Pt zu Co verändert. Die Zusammensetzung Co80Pt20 wurde bei einem Abscheidepotential von -0.7 VSCE erhalten. Die so hergestellten Co-Pt Nanodrähte sind nanokistallin. Magnetische Messungen weisen jedoch auf veränderte Phasenanteile der fcc und hcp Phase innerhalb der Drähte hin, da die effektive Anisotropie erheblich von der für Nanodrähte mit hohem Aspektverhältnis erwarteten Formanisotropie abweicht. Diese Änderung der effektiven Anisotropie ist auf die bevorzugte Ausrichtung der hexagonalen c-Achse des Co-Pt senkrecht zur Drahtachse zurückzuführen. Vielversprechende Template mit deutlich kleineren Dimensionen sind Diblockcopolymertemplate. Es wurden Versuche zur Abscheidung von Co und Co-Pt in diese Template durchgeführt. Als Gründe für die inhomogene Templatfüllung wurden Inhomogenitäten in der Schichtdicke sowie eine gewisse Rauhigkeit der Substrate identifiziert. Aufgrund der ungleichmäßigen Fülleg werden die magnetischen Eigenschaften durch große, halbkugelförmige Abscheidunge auf der Oberfläche des Templates bestimmt. Darüber hinaus wurden aus wenige nm dicken Au/Co/Au Filmen hergestellte Mikroröhren magnetisch charakterisiert. Temperaturabhängige Messungen zeigen ein Exchange Bias Verhalten, das durch beim Abkühlen induzierte Spannungen erklärt wird. Unterschiede im magnetischen Verhalten der untersuchten Proben werden abschließend im Hinblick auf die verschiedenen konkurrierenden magnetischen Anisotropien in verschiedenen Geometrien diskutiert.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von ZnO- und CuI-basierten Nano- und Mikrostrukturen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung derer Lumineszenz-Eigenschaften unter optischer Hochanregung. Verschiedene ZnO-basierte Nano- und Mikrostrukturen können bei Raumtemperatur unter optischer Hochanregung als Laser agieren. Es wurde ein Modell entwickelt, das anhand der Strukturgeometrie verbunden mit der Lasereindringtiefe und Ladungsträgerdiffusion das Auftreten der unterschiedlichen Emissionen beschreibt. Dieses Konzept wird als 'Absorptive Modenselektion' eingeführt. In temperaturabhängigen Photolumineszenz-Untersuchungen einzelner ZnO-Nanodrähte wird die Temperaturabhängigkeit der Laserparameter beschrieben. Damit ist es möglich, Aussagen über den Verstärkungsmechanismus des Laserprozesses zu treffen. Es zeigt sich, dass die Laserschwelldichte exponentiell mit der Temperatur ansteigt, wohingegen die charakteristischen Zerfallszeiten im Lasingbereich temperaturunabhängig sind. Die Anschaltzeit der Nanodrahtemission weist eine starke Abhängigkeit von der Anregungsdichte auf und hängt unterhalb der Laserschwelldichte von der Temperatur ab. Es werden drei Anregungsbereiche beschrieben, zwischen denen es nach der gepulsten Hochanregung zu einem Wechsel des dominanten Relaxationsprozesses kommt. Es wird ein Modell vorgestellt, mit dem der ladungsträgerdichteabhängige komplexe Brechungsindex für verschiedene Temperaturen berechnet wird. Dieses Modell wird angewandt, um in den untersuchten Strukturen die Brechungsindexänderung nach der gepulsten Hochanregung zu beschreiben. Es gelang der erstmalige Nachweis von Laseremission in CuI-basierten Mikrostrukturen. Der Laserprozess ist bis zu einer Temperatur von ca. 200 K stabil. Es wird gezeigt, dass Dreiecksmoden in der vorliegenden Mikrodraht-Kavität mit dreieckigem Querschnitt dominant sind. Weiterhin wurde eine temperaturabhängige Charakterisierung der bandkantennahen Emission (NBE) durchgeführt. Die Realstruktur der CuI-Mikrodrähte wurde umfassend mit REM, EDX und XRD untersucht.

The precise determination of the type and concentration of gases is of increasing importance in numerous applications. Despite the diverse operating principles of today´s gas sensors, technological trends can be summarized with the keyword miniaturization, because of the resulting benefits such as integrability and energy efficiency. This work deals with the development and fabrication of novel nanowire based gas sensors, which in comparison to conventional devices have an advantageous combination of high sensitivity and selectivity with low power consumption and small size. On the basis of grown silicon nanowires, sensors based on the functional principle of classical Schottky barrier field effect transistors with abrupt metal-semiconductor contacts are fabricated. The sensing performance of the devices is investigated with respect to the detection of ammonia. Ammonia concentrations down to 170 ppb are measured with a sensor response of more than 160 % and a theoretical limit of detection of 20 ppb is determined. Selectivity investigations show that no cross sensitivity to most common solvents occurring in living spaces exists. Moisture influences on the device are studied and reveal that the sensor responds within seconds, making it potentially suitable as humidity sensor. Moreover, it is shown that a higher relative humidity and higher temperatures decrease the sensor sensitivity. In terms of possible applications, it is a great advantage that the maximum sensitivity is achieved at 25 °C. With respect to sensitivity and selectivity an enhancement is demonstrated compared to most nanosensors known from the literature. Hence, the technology offers the potential to complement conventional measurement systems in future sensor technology especially in portable applications. / Die präzise Bestimmung der Art und Konzentration von Gasen erlangt in zahlreichen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Trotz der vielfältigen Wirkprinzipien heutiger Gassensoren lassen sich die technologischen Trends mit dem Schlagwort Miniaturisierung zusammenfassen, da sich daraus entscheidende Vorteile wie Integrierbarkeit und Energieeffizienz ergeben. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger nanodrahtbasierter Gassensoren, welche im Vergleich zu klassischen Sensoren eine vorteilhafte Kombination von hoher Sensitivität und Selektivität bei geringem Stromverbrauch und geringer Größe aufweisen. Auf der Grundlage gewachsener Silizium-Nanodrähte werden Sensoren mit abrupten Metall-Halbleiter-Kontakten hergestellt, welche auf dem Funktionsprinzip klassischer Schottkybarrieren-Feldeffekttransistoren beruhen. Die Eignung der Sensoren wird in Bezug auf die Detektion von Ammoniak untersucht. Dabei kann eine minimale Ammoniakkonzentration von 170 ppb mit einer Signaländerung von mehr als 160 % gemessen werden, wobei die theoretische Nachweisgrenze mit 20 ppb ermittelt wird. Selektivitätsuntersuchungen zeigen, dass keine Querempfindlichkeit gegenüber den am häufigsten in Wohnräumen vorkommenden Lösungsmitteln besteht. Feuchtigkeitseinflüsse auf den Sensor werden untersucht und es wird nachgewiesen, dass der Sensor Ansprechzeiten im Sekundenbereich besitzt, was ihn zu einem potenziell geeigneten Feuchtigkeitssensor macht. Darüber hinaus wird gezeigt, dass eine höhere relative Luftfeuchtigkeit und höhere Umgebungstemperaturen die Sensorsensitivität verringern. In Bezug auf mögliche Einsatzgebiete stellt die maximale Empfindlichkeit bei 25 °C einen großen Vorteil da. Bezogen auf Sensitivität und Selektivität wird somit eine Verbesserung im Vergleich zu den meisten aus der Literatur bekannten Nanosensoren demonstriert. Damit bietet die Technologie das Potential, konventionelle Messsysteme in zukünftiger Sensorik vor allem in portablen Anwendungen zu ergänzen.

In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Herstellung von Leuchtdioden Strukturen (LEDs) in einzelnen GaN Nanodrähten (ND) und deren Integration mit herkömmlicher Si Technologie untersucht. Hierzu wird zunächst ein generelles Verständnis des Wachstums von GaN ND erarbeitet und dargestellt. Es folgen Untersuchungen zum Einfluss von Dotierstoffen, wie z.B. Mg und Si, auf das Wachstum der ND. Dieses Wissen wird anschließend angewandt um Dotierübergänge in GaN ND herzustellen die nominell n-i-p bzw. p-i-n dotiert sind. Diese Untersuchung brachte die technologisch wichtige Erkenntnis, dass eine p-Dotierung mit Mg am besten erreicht werden kann wenn die ND bereits wohl entwickelt sind. Dies bedeutet, dass der obere Teil der ND LEDs aus p-Typ Material bestehen wird. Eine weitere wichtige Komponente von LEDs ist die aktive Zone in der die Elektron-Loch-Rekombination stattfindet. Im Fall von planaren GaN LEDs wird diese durch Zugabe von In und die Formierung von InGaN hergestellt. Wir untersuchen das Wachstum von InGaN auf Si, GaN NDs und in Form von MQWs, um das Wachstum und insbesondere den In Gehalt unter vielen Bedingungen kontrollieren zu können. Das gesamte Wissen der Voruntersuchungen wird kombiniert und für das Ziel dieser Arbeit nutzbar gemacht: Die Herstellung von GaN ND basierten LEDs. Diese Strukturen werden untersucht und zu einer funktionierenden LED weiter prozessiert. Abschließend wird von den Anstrengungen zur Integration von III-Nitrid LEDs und Si basierter MOSFET Technologie berichtet. Es wird erstmalig erfolgreich die monolithische Integration dieser beiden Bauelemente und ihr gleichzeitiges Funktionieren gezeigt. / This work is concerned with the realization and investigation of a light emitting diode (LED) structure within single GaN nanowires (NWs) and its integration with Si technology. To this end first a general understanding of the GaN NW growth is given. This is followed by investigations of the influence which doping species, such as Mg and Si, have on the growth of the NWs. The experience gathered in these studies set the basis for the synthesis of nominal p-i-n and n-i-p junctions in GaN NWs. Investigations of these structures resulted in the technologically important insight, that p-type doping with Mg is achieved best if it is done in the later NW growth stage. This implies that it is beneficial for a NW LED to place the p-type segment on the NW top. Another important component of an LED is the active zone where electron-hole recombination takes place. In the case of planar GaN LEDs, this is usually achieved by alloying Ga and In to form InGaN. In order to be able to control the growth under a variety of conditions, we investigate the growth of InGaN in the form of extended segments on top of GaN NWs, as well as multi quantum wells (MQWs) in GaN NWs. All the knowledge gained during these preliminary studies is harnessed to reach the overall goal: The realization of a GaN NW LED. Such structures are fabricated, investigated and processed into working LEDs. Finally, a report on the efforts of integrating III-nitride NW LEDs and Si based metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology is given. This demonstrates the feasibility of the monolithic integration of both devices on the same wafer at the same time.

The progress in device performance of modern microelectronic technology is mainly driven by down-scaling. In the near future, this road will probably reach a point where physical limits make even more down-scaling impossible. The substitution of single components materialwise over the last decades, like high-k dielectrics or metal gates, has been a suitable approach to foster performance improvements. In this scheme, the integration of high-mobility III-V compound semiconductors as channel materials into Si technology is a promising route to follow for the next one or two device generations. III-V integration, today, is conventionally performed by using techniques like molecular beam epitaxy or wafer bonding which utilize solid phase crystallization but suffer to strain due to the lattice mismatch between III-V compounds and Si. An alternative approach using sequential ion beam implantation in combination with a subsequent flash lamp annealing is presented in this work. Using this technique, nanocrystals from various III-V compounds have been successfully integrated into bulk Si and Ge as well as into thin Si layers which used either SOI substrates or were grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition. The III-V compounds which have been fabricated are GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, GaSb and InxGa1-xAs with variable composition. The structural properties of these nanocrystals have been investigated by Rutherford backscattering, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, including bright-field, dark-field, high-resolution, high-angle annular dark-field and scanning mode imaging, electron-dispersive x-ray spectroscopy and energy-filtered element mapping. Furthermore, Raman spectroscopy and X-ray diffraction have been performed to characterise the nanocrystals optically. In Raman spectroscopy, the characteristic transversal and longitudinal optical phonon modes of the different III-V compounds have been observed. These signals proof that the nanocrystals have formed by the combination of ion implantation and flash lamp annealing. Additionally, the appearance of the typical phonon modes of the respective substrate materials verifies recrystallization of the substrate by the flash lamp after amorphisation during implantation. In the bulk Si samples, the nanocrystals have a circular or rectangular lateral shape and they are randomly distributed at the surface. Their cross-section has either a hemispherical or triangular shape. In bulk Ge, there are two types of precipitates: one at the surface with arbitrary shape and another one buried with circular shape. For the thin film samples, the lateral shape of the nanocrystals is more or less arbitrary and they feature a block-like cross-section which is limited in height by the Si layer thickness. Regarding crystalline quality, the nanocrystals in all samples are mainly single-crystalline with only a few number of stacking faults. However, the crystalline quality in the bulk samples is slightly better than in the thin films. The X-ray diffraction measurements display the (111), (220) and (311) Bragg peaks for InAs and GaAs as well as for the InxGa1-xAs where the peaks shift with increasing In content from GaAs towards InAs. The underlying formation mechanism is identified as liquid phase epitaxy. Hereby, the ion implantation leads to an amorphisation of the substrate material which is then molten by the subsequent flash lamp annealing. This yields a homogeneous distribution of the implanted elements within the melt due to their strongly increased diffusivity in the liquid phase. Afterwards, the substrate material starts to recrystallize at first and an enrichment of the melt with group-III and group-V elements takes place due to segregation. When the temperature is low enough, the III-V compound semiconductor starts to crystallize using the recrystallized substrate material as a template for epitaxial growth. In order to gain control over the lateral nanocrystal distribution, an implantation mask of either aluminium or nickel is introduced. Using this mask, only small areas of the samples are implanted. After flash lamp treatment, nanocrystals form only in these small areas, which allows precise positioning of them. An optimal implantation window size with an edge length of around 300nm has been determined to obtain one nanocrystal per implanted area. During an additional experiment, the preparation of Si nanowires using electron beam lithography and reactive ion etching has been conducted. Hereby, two different processes have been investigated; one using a ZEP resist, a lift-off step and a Ni hard mask and another one using a hydrogen silsesquioxane resist which is used directly as a mask for etching. The HSQ-based process turned out to yield Si nanowires of better quality. Combining both, the masked implantation and the Si nanowire fabrication, it might be possible to integrate a single III-V nanocrystal into a Si nanowire to produce a III-V-in-Si-nanowire structure for electrical testing. / Der Fortschritt in der Leistungsfähigkeit der Bauelemente moderner Mikroelektroniktechnologie wird hauptsächlich durch das Skalieren vorangetrieben. In naher Zukunft wird dieser Weg wahrscheinlich einen Punkt erreichen, an dem physikalische Grenzen weiteres Herunterskalieren unmöglich machen. Der Austausch einzelner Teile auf Materialebene, wie Hoch-Epsilon-Dielektrika oder Metall-Gate-Elektroden, war während der letzten Jahrzehnte ein geeigneter Ansatz, um die Leistungsverbesserung voranzubringen. Nach diesem Schema ist die Integration von III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Mobilität ein vielversprechender Weg, dem man für die nächsten ein oder zwei Bauelementgenerationen folgen kann. Heutzutage erfolgt die III-V-Integration konventionell mit Verfahren wie der Molekularstrahlepitaxie oder dem Waferbonden, welche die Festphasenkristallisation nutzen, die aber aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen III-V-Verbindungen und Silizium an Verspannungen leiden. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz präsentiert, welcher die sequenzielle Ionenstrahlimplantation in Verbindung mit einer darauffolgenden Blitzlampentemperung ausnutzt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden Nanokristalle verschiedener III-V-Verbindungshalbleiter erfolgreich in Bulksilizium- und -germaniumsubstrate sowie in dünne Siliziumschichten integriert. Für die dünnen Schichten wurden hierbei entweder SOI-Substrate verwendet oder sie wurden mittels plasmagestützer chemischer Gasphasenabscheidung gewachsen. Die hergestellten III-V-Verbindungen umfassen GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb und InxGa1-xAs mit veränderbarer Zusammensetzung. Die strukturellen Eigenschaften dieser Nanokristalle wurden mit Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei der Transmissionelektronenmikroskopie wurden die Hellfeld-, Dunkelfeld-, hochauflösenden, “high-angle annular dark-field” und Rasteraufnahmemodi sowie die energiedispersive Röntgenspektroskopie und die energiegefilterte Elementabbildung eingesetzt. Darüber hinaus wurden Ramanspektroskopie- und Röntgenbeugungsmessungen durchgeführt, um die Nanokristalle optisch zu charakterisieren. Mittels Ramanspektroskopie wurden die charakteristischen transversal- und longitudinal-optischen Phononenmoden der verschiedenen III-V-Verbindungen beobachtet. Diese Signale beweisen, dass sich unter Verwendung der Kombination von Ionenstrahlimplantation und Blitzlampentemperung Nanokristalle bilden. Weiterhin zeigt das Vorhandensein der typischen Phononenmoden der jeweiligen Substratmaterialien, dass die Substrate aufgrund der Blitzlampentemperung rekristallisiert sind, nachdem sie durch Ionenimplantation amorphisiert wurden. In den Bulksiliziumproben besitzen die Nanokristalle eine kreisförmige oder rechteckige Kontur und sind in zufälliger Anordnung an der Oberfläche verteilt. Ihr Querschnitt zeigt entweder eine Halbkugel- oder dreieckige Form. Im Bulkgermanium gibt es zwei Arten von Ausscheidungen: eine mit willkürlicher Form an der Oberfläche und eine andere, vergrabene mit sphärischer Form. Betrachtet man die Proben mit den dünnen Schichten, ist die laterale Form der Nanokristalle mehr oder weniger willkürlich und sie zeigen einen blockähnlichen Querschnitt, welcher in der Höhe durch die Siliziumschichtdicke begrenzt ist. Bezüglich der Kristallqualität sind die Nanokristalle in allen Proben mehrheitlich einkristallin und weisen nur eine geringe Anzahl an Stapelfehlern auf. Jedoch ist die Kristallqualität in den Bulkmaterialien ein wenig besser als in den dünnen Schichten. Die Röntgenbeugungsmessungen zeigen die (111), (220) und (311) Bragg-Reflexe des InAs und GaAs sowie des InxGa1-xAs, wobei sich hier die Signalpositionen mit steigendem Gehalt an Indium von GaAs zu InAs verschieben. Als zugrundeliegender Bildungsmechanismus wurde die Flüssigphasenepitaxie identifiziert. Hierbei führt die Ionenstrahlimplantation zu einer Amorphisierung des Substratmaterials, welches dann durch die anschließende Blitzlampentemperung aufgeschmolzen wird. Daraus resultiert eine homogene Verteilung der implantierten Elemente in der Schmelze, da diese eine stark erhöhte Diffusivität in der flüssigen Phase aufweisen. Danach beginnt zuerst das Substratmaterial zu rekristallisieren und es kommt aufgrund von Segregationseffekten zu einer Anreicherung der Schmelze mit den Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, beginnt auch der III-V-Verbindungshalbleiter zu kristallisieren, wobei er das rekristallisierte Substratmaterial als Grundlage für ein epitaktisches Wachstum nutzt. In der Absicht Kontrolle über die laterale Verteilung der Nanokristalle zu erhalten, wurde eine Implantationsmaske aus Aluminium beziehungsweise Nickel eingeführt. Durch die Benutzung einer solchen Maske wurden nur kleine Bereiche der Proben implantiert. Nach der Blitzlampentemperung werden nur in diesen kleinen Bereichen Nanokristalle gebildet, was eine genaue Positionierung dieser erlaubt. Es wurde eine optimale Implantationsfenstergröße mit einer Kantenlänge von ungefähr 300 nm ermittelt, damit sich nur ein Nanokristall pro implantierten Bereich bildet. Während eines zusätzlichen Experiments wurde die Präparation von Siliziumnanodrähten mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionenätzen durchgeführt. Hierbei wurden zwei verschiedene Prozesse getestet: einer, welcher einen ZEP-Lack, einen Lift-off-Schritt und eine Nickelhartmaske nutzt, und ein anderer, welcher einen HSQ-Lack verwendet, der wiederum direkt als Maske für die Ätzung dient. Es stellte sich heraus, dass der HSQ-basierte Prozess Siliziumnanodrähte von höherer Qualität liefert. Kombiniert man beides, die maskierte Implantation und die Siliziumnanodrahtherstellung, miteinander, sollte es möglich sein, einzelne III-V-Nanokristalle in einen Siliziumnanodraht zu integrieren, um eine III-V-in-Siliziumnanodrahtstruktur zu fertigen, welche für elektrische Messungen geeignet ist.

The monolithic integration of III-V semiconductors on Si substrates is a part of a long-term technological roadmap for the semiconductor industry towards More-than-Moore technologies. Despite of the different lattice constants and thermal expansion coefficients, research efforts over the last two decades have shown that III-V crystals with a high structural quality can be grown epitaxially in the form of nanowires directly on Si using CMOS-compatible (Au-free) methods. Among other III-V compounds, InxGa1-xAs is of the special interest for the use in infrared photonics and high-speed electronics due to its tunable direct bandgap and low electron effective mass, respectively. For comparison, InxGa1-xAs thin films are typically grown on lattice-matched InP substrates with a limited range of compositions at around x=0.52. The realization of InxGa1-xAs nanowires on Si, though, has been proved challenging owing to the limited In-content when the nanowires are grown Ga-catalyzed or the high density of stacking faults when the nanowires are grown catalyst-free. In this work, the use of highly lattice-mismatched GaAs/InxGa1-xAs and GaAs/InxAl1-xAs core/shell nanowires on Si(111) substrates have been studied as an alternative to InxGa1-xAs nanowires. The core/shell mismatch strain and its accommodation within the nanowires plays an important role in the growth, the structural, and the electronic properties of the nanowires. A key parameter in this work was the unusually small diameter of 20 – 25 nm of the GaAs core. First, the strain-induced bending of the nanowires during the growth of the shell by molecular beam epitaxy was investigated. It was apparent that the nanowires bend as a result of a preferential incorporation of In adatoms on one side of the nanowires. To obtain straight nanowires with symmetric shell composition and thickness around the core, it was necessary to choose relatively low growth temperatures and high growth rates that limited the surface diffusivity of In adatoms. Second, the strain accommodation in straight nanowires was investigated as a function of the shell thickness and composition using a combination of Raman scattering spectroscopy and X-ray diffraction. For a fixed shell composition of x=0.20 and small enough shell thicknesses, the strain in the shell is compressive and decreases progressively as the shell grows thicker. On the other hand, the strain in the core is tensile with hydrostatic character and increases with shell thickness. Finally, for shell thicknesses larger than 40 nm, the shell becomes strain-free, whereas the strain in the core saturates at 3.2% without any dislocations. For a fixed shell thickness of 80 nm, the strain in the core was further increased by increasing the In-content in the shell, reaching values as high as 7% for x=0.54. A plastic relaxation via misfit dislocations was observed only for the next highest In-content of x=0.70. In agreement to theoretical predictions, the tensile strain in the core resulted in a large reduction of the GaAs bandgap (as measured by photoluminescence spectroscopy), up to approximately 40% of the strain-free value. A similar reduction in electron effective mass is also expected. The transport properties of electrons inside the strained GaAs core were assessed by optical-pump terahertz-probe spectroscopy. Quite high mobility values of approximately 6100 cm2/Vs at 300 K for a carrier concentration of 9×1017 cm−3 were measured, which are the highest reported in the literature for GaAs nanowires, but also higher than the values for unstrained bulk GaAs. The importance of the results in this work is two-fold. On the one hand, strain-free InxGa1-xAs nanowire shells were grown on Si substrates with x up to 0.54 and thicknesses well beyond the critical thickness of their thin film counterparts. Such shells could potentially be employed as conduction channels in high electron mobility transistors (HEMTs) integrated in Si platforms. On the other hand, highly tensile-strained GaAs cores with electronic properties like those of InxGa1-xAs thin films were obtained. In this case, the results demonstrate, that GaAs nanowires can be suitable for photonic devices across the near-infrared range, including telecom photonics at 1.3 and potentially 1.55 μm, as well as for high-speed electronics. GaAs as a binary material is expected to be advantageous compared to InxGa1-xAs due to the absence of structural imperfections typically present in ternary alloys. Finally, to explore the potential of the core/shell nanowires as HEMTs, self-consistent Schrödinger-Poisson calculations of two different modulation-doped heterostructures were performed. In the case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained InxGa1-xAs shell and an additional unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, the possibility to form a cylindrical-like two-dimensional electron gas inside the InxGa1-xAs shell was found. In the alternative case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, it was found that it is possible to form a quasi-one-dimensional electron gas at the center of the core. Both structures are the subject of ongoing research.:1 Introduction 1 2 Fundamentals and state-of-the-art 7 2.1 Electronic and structural properties of III-V semiconductors 7 2.2 Growth of III-V nanowires on Si 20 2.3 Core/shell heterostructure nanowires 29 2.4 Strain in epilayers and core/shell nanowires 36 2.5 Strain engineering in core/shell nanowires and its effect on band parameters 46 2.6 Modulation-doped III-V semiconductor heterostructures 56 3 Methods 61 3.1 Optical and electron microscopes 61 3.2 X-ray diffraction 64 3.3 Raman scattering spectroscopy 65 3.4 Photoluminescence spectroscopy 75 3.5 Optical-pump terahertz-probe spectroscopy and photoconductivity in semiconductors 77 3.6 Device processing 82 3.7 Semiconductor nanodevice software “nextnano” 85 3.8 MBE for crystal growth and core/shell nanowire growth 86 4 Results and discussions 91 4.1 Structural, compositional analyses of straight nanowires and coherent growth limit 91 4.2 Bent nanowires 95 4.3 Strain analyses in core/shell nanowires 97 4.3.1 Dependence of strain on shell thickness 97 4.3.2 Dependence of strain on the shell chemical composition 102 4.3.3 Dependence of strain on the core diameter 105 4.4 Strain-induced modification of electronic properties 106 4.5 Strain-enhanced electron mobility of GaAs nanowires higher than the bulk limit 114 4.6 Towards high electron mobility transistors 123 5 Conclusion and outlook 129 Bibliography 131 List of abbreviations I List of Symbols III List of publications VII List of conference contributions VIII Acknowledgements X