@phdthesis{Grabs2005,
  author    = {Grabs, Peter},
  title     = {Herstellung von Bauelementen f{\"u}r Spininjektionsexperimente mit semimagnetischen Halbleitern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16048},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit sollten Halbleiterheterostrukturen mit semimagnetischen II-VI-Halbleitern hergestellt werden, mit denen Experimente zum Nachweis und der Erforschung der Spininjektion in Halbleiter durchgef{\"u}hrt werden. Hierzu sollten optische und Transportexperimente dienen. Zur Polarisation der Elektronenspins werden semimagnetische II-VI-Halbleiter verwendet, bei denen in einem von außen angelegten magnetischen Feld bei tiefen Temperaturen durch den riesigen Zeemaneffekt die Spinentartung der Energieb{\"a}nder aufgehoben ist. Da diese Aufspaltung sehr viel gr{\"o}ßer als die thermische Energie der Ladungstr{\"a}ger ist, sind diese nahezu vollst{\"a}ndig spinpolarisiert. F{\"u}r die vorgestellten Experimente wurden (Be,Zn,Mn)Se und (Cd,Mn)Se als Injektormaterialien verwendet. Durch die Verwendung von (Be,Zn,Mn)Se als Injektor konnte die Spinjektion in eine GaAs-Leuchtdiode nachgewiesen werden. Hierzu wurde der Grad der zirkularen Polarisation des von der Leuchtdiode emittierten Lichts gemessen, welches ein direktes Maß f{\"u}r die Spinpolarisation der injizierten Elektronen ist. Durch diverse Referenzmessungen konnte die Polarisation des Lichts eindeutig der Spininjektion in die Leuchtdiode zugeordnet werden. So konnten eventuell denkbare andere Ursachen, wie ein zirkularer Dichroismus des Injektormaterials oder die Geometrie des Experiments ausgeschlossen werden. Um die physikalischen Prozesse in der Spin-LED n{\"a}her zu untersuchen, wurde eine Vielzahl von Experimenten durchgef{\"u}hrt. So wurde unter anderem die Abh{\"a}ngigkeit der Effizienz der Spininjektion von der Dicke der semimagnetischen (Be,Zn,Mn)Se-Schicht erforscht. Hieraus wurde eine magnetfeldabh{\"a}ngige Spin-Flip-L{\"a}nge im semimagnetischen Halbleiter ermittelt, die kleiner als 20 nm ist. Im Zuge dieser Experimente wurde auch die magnetooptischen Eigenschaften dieser hochdotierten (Be,Zn,Mn)Se-Schichten untersucht. Die große Zeemanaufspaltung bleibt zwar erhalten, wird allerdings insbesondere unter Stromfluß durch eine isolierte Aufheizung der Manganionen in der Schicht reduziert. Die Spin-LEDs wurden auf eine eventuelle Eignung zur Detektion der Spininjektion in Seitenemission, wie es f{\"u}r Experimente mit anderen spinpolarisierenden Materialien n{\"o}tig ist, getestet. Obwohl die Effizienz der Spininjektion in diesen LEDs nachweislich sehr hoch ist, konnte in Seitenemission keine Polarisation des emittierten Lichts nachgewiesen werden. In dieser Konfiguration sind (Al,Ga)As-LEDs als Detektor also nicht zu verwenden. Der Nachweis der Injektion spinpolarisierter Elektronen in einen Halbleiter sollte auch in Transportexperimenten erfolgen. Hierf{\"u}r wurden (Be,Zn,Mn)Se/(Be,Zn)Se-Heterostrukturen hergestellt, die wie erwartet einen deutlichen positiven Magnetowiderstand zeigen, der nicht auf die verwendeten Materialien oder die Geometrie der Proben zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Der beobachtete Effekt scheint durch ein Zusammenspiel des semimagnetischen Halbleiters mit dem Metall-Halbleiter-Kontakt aufzutreten. Aus diesen Experimenten konnte eine Absch{\"a}tzung der Spin-Flip-L{\"a}nge in hochdotierten ZnSe-Schichten getroffen werden. Sie liegt zwischen 10 und 100 nm. Weiterhin sollten Spininjektionsexperimente an InAs durchgef{\"u}hrt werden. Zur Polarisation der Elektronenspins in diesen Experimenten sollte als semimagnetischer Halbleiter (Cd,Mn)Se verwendet werden, da es gitterangepasst zu InAs gewachsen werden kann. Anders als bei (Be,Zn,Mn)Se konnte jedoch auf nahezu keine Erfahrungen auf dem Gebiet der (Cd,Mn)Se-Epitaxie zur{\"u}ckgegriffen werden. Durch die Verwendung eines ZnTe-Puffers ist es gelungen (Cd,Mn)Se-Schichten auf InAs in sehr hoher struktureller Qualit{\"a}t herzustellen. Die Untersuchung der magnetooptischen Eigenschaften dieser Schichten best{\"a}tigte die Eignung von (Cd,Mn)Se als Injektor f{\"u}r die geplanten Spininjektionsexperimente. F{\"u}r die elektrische Charakterisierung ist es n{\"o}tig, (Cd,Mn)Se auf einem elektrisch isolierenden GaAs-Substrat mit einer (Al,Ga)Sb-Pufferschicht zu epitaxieren. Das monokristalline Wachstum von (Cd,Mn)Se-Schichten hierauf wurde nur durch die Verwendung eines ZnTe-Puffers m{\"o}glich, der bei sehr niedrigen Substrattemperaturen im ALE-Modus gewachsen wird. Insbesondere die Dotierbarkeit der (Cd,Mn)Se-Schichten ist f{\"u}r die Spininjektionsexperimente wichtig. Es zeigte sich, dass sich die maximal erreichbare n-Dotierung mit Iod durch den Einbau von Mangan drastisch reduziert. Trotzdem ist es gelungen, (Cd,Mn)Se -Schichten herzustellen, die einen negativen Magnetowiderstand zeigen, was eine Voraussetzung f{\"u}r Spininjektionsexperimente ist. F{\"u}r Transportexperimente sollen die spinpolarisierten Elektronen direkt in ein zweidimensionales Elektronengas injiziert werden. Hierf{\"u}r wurden Heterostrukturen mit einem InAs-Quantentrog, in dem sich ein solches 2DEG ausbildet, hergestellt und in Hall-Messungen charakterisiert. F{\"u}r die Realisierung dieser Experimente wurde ein Konzept erstellt und erste Versuche zu dessen Umsetzung durchgef{\"u}hrt. Ein zu l{\"o}sendes Problem bleibt hierbei die Diffusion auf der freigelegten InAs-Oberfl{\"a}che bei den f{\"u}r das (Cd,Mn)Se-Wachstum n{\"o}tigen Substrattemperaturen. Leuchtdioden mit einem InAs-Quantentrog wurden f{\"u}r den Nachweis der Spininjektion in InAs auf optischem Wege hergestellt. F{\"u}r die Realisierung einer solchen Leuchtdiode war es n{\"o}tig, auf ein asymmetrisches Designs mit einer n-Barriere aus (Cd,Mn)Se und einer p-Barriere aus (Al,Ga)(Sb,As) zur{\"u}ckzugreifen. Es wurden sowohl magnetische als auch unmagnetische Referenzproben hergestellt und vermessen. Die Ergebnisse deuten auf einen experimentellen Nachweis der Spininjektion hin.},
  subject      = {Semimagnetischer Halbleiter},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schumacher2003,
  author    = {Schumacher, Claus},
  title     = {Herstellung und Charakterisierung von Nanostrukturen auf der Basis von II-VI-Materialien mittels der Schattenmaskentechnologie},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8754},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Warum eigentlich Schattenmasken als neues alternatives Verfahren zur lateralen Strukturierung? Alle bislang {\"u}blichen Verfahren zur Herstellung lateral begrenzter Halbleiter-Kristalle strukturieren die zuvor epitaktisch fl{\"a}chig aufgewachsenen Schichten nachtr{\"a}glich. Hierdurch k{\"o}nnen Probleme entstehen. Etwa erzeugen nach einem nasschemischen {\"A}tzprozess freistehende Quantentr{\"o}ge im Randbereich Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nde, die zu nicht strahlender Rekombination f{\"u}hren k{\"o}nnen und daher die Lichtausbeute reduzieren. Der Prozess des erneuten {\"U}berwachsens solcher nachtr{\"a}glich ge{\"a}tzter Strukturen ist bislang noch nicht reproduzierbar. Weitere alternative Techniken, wie das Wachstum selbstorganisierter Quantenpunkte oder das it in-situ Spalten, bieten entweder noch keine befriedigende Kontrollm{\"o}glichkeit der Strukturgr{\"o}ße oder sind f{\"u}r eine industrielle Anwendung nur wenig praktikabel. Deshalb richtete sich der Blick auf das aus der III-V-Epitaxie bekannte Schattenmasken-Verfahren zur Herstellung makroskopischer sogenannter ,,nipi-Strukturen''. Diese zeigen den interessanten Effekt, dass sich die durch eine Schattenmaske wachsende Struktur in Wachstumsrichtung w{\"a}hrend des Wachstums von selbst zuspitzt. Die Gr{\"o}ße der Masken-Apertur kann dadurch in einer Gr{\"o}ßenordnung bleiben, wie sie durch ein ultra-violett optisch lithographisches Verfahren hergestellt werden kann. Durch die Maske w{\"a}chst dennoch, unterst{\"u}tzt von Schatten- und Selbstorganisationseffekten, ein Halbleiter-Kristall, der an seiner Spitze die Ausdehnung einer Nanostruktur hat. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmals mittels der Schattenmaskentechnologie eine ZnSe-Draht-Struktur herzustellen, deren Ausdehnung an der Spitze nur noch 25~nm betr{\"a}gt. Da dieses Verfahren erstmals zur Herstellung von II-VI-Halbleiter-Schichten etabliert wurde, konnte auf keinerlei Vorarbeiten zur{\"u}ckgegriffen werden. Vor der Herstellung geeigneter Schattenmasken mussten zun{\"a}chst geeignete Belichtungs-Masken f{\"u}r die optische Lithographie entworfen werden, bevor die {\"A}tztechniken zur Herstellung der Schattenmasken selbst optimiert werden konnten. Am Ende der Schattenmaskenentwicklung stand ein Verfahren zur Pr{\"a}paration einer verl{\"a}sslichen Startoberfl{\"a}che f{\"u}r die anschließende II-VI-Epitaxie, ohne die ein reproduzierbares Wachstum durch die Schattenmaske nicht m{\"o}glich ist. Nachdem die technologische Seite abgearbeitet war, mussten anhand geeigneter Epitaxieexperimente die Einfl{\"u}sse durch die ge{\"a}nderten Wachstumsbedingungen erforscht werden. Insbesondere spielen beim Wachstum durch Schattenmasken Oberfl{\"a}cheneffekte wie Diffusion oder die Orientierung der Masken-Apertur bzgl. der Kristallrichtung eine wesentliche Rolle. F{\"u}r die in dieser Arbeit verwendete Geometrie des Wachstums (Gruppe-II- und Gruppe-VI-Spezies werden aus bzgl. der Masken-Apertur spiegelbildlichen Raumwinkelbereichen angeboten) wurde herausgefunden, dass die Masken{\"o}ffnung entlang der [1-10]-Kristallrichtung orientiert sein sollte. Entlang dieser Richtung sind die Se-Dimere einer Se-reich rekonstruierten Oberfl{\"a}che orientiert und somit verl{\"a}uft die Vorzugsdiffusionsrichtung senkrecht zum Draht. Hierdurch k{\"o}nnen diffusionsgest{\"u}tzt sch{\"a}rfer definierte Flanken des Drahtes wachsen, als bei einer um 90° gedrehten Geometrie. Eigentlich soll nicht nur eine bin{\"a}re Drahtstruktur entstehen, sondern es soll zum Beispiel ein ZnCdSe-Quantentrog in einen Draht aus einem geeigneten Barriere-Material eingebettet werden. Bei diesen Versuchen stellte sich anhand von Tieftemperatur-PL- und charakteristischen R{\"o}ntgenphotonen-Spektren heraus, dass Cadmium in einem epitaktisch gewachsenen Draht st{\"a}rker als andere Spezies auf der Wachstumsoberfl{\"a}che diffundiert. Eine kontrollierte Deposition eines ZnCdSe-Quantentroges ist nicht m{\"o}glich. Um Diffusionseffekte zu vermeiden kann statt eines tern{\"a}ren Troges ein bin{\"a}rer in eine nun quatern{\"a}re Barriere eingebettet werden. Dieser Ansatz wird bereits in einer parallel zu dieser Arbeit begonnenen Dissertation erfolgreich verfolgt. Bei der Etablierung eines neuen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiter-Kristallen m{\"u}ssen auch Aussagen {\"u}ber die strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Strukturen getroffen werden. Hierzu wurden die mittels eines ,,Lift-Off''-Prozesses nun freistehenden Drahtstrukturen einer R{\"o}ntgenstrukturanalyse unterzogen. Die reziproken Gitterkarten zeigen bei senkrechter Orientierung der Beugungsebene relativ zum Draht, dass der Schichtreflex nicht auf der Relaxationsgeraden liegt. Bei einer rein plastischen Relaxation eines Halbleiter-Kristalls m{\"u}sste dies jedoch f{\"u}r beide Orientierungen der Beugungsebene (senkrecht und parallel zum Draht) der Fall sein. Der Schichtreflex ist in Richtung des Substratreflexes verschoben. Der Netzebenenabstand ist somit also verkleinert. Eine m{\"o}gliche Erkl{\"a}rung hierf{\"u}r ist die zylinderf{\"o}rmige ,,Verbiegung'' der Atomebenen im Realraum und somit der Netzebenen im reziproken Raum. Die {\"U}berlegungen f{\"u}hren somit auf eine zus{\"a}tzlich elastische anstelle auschließlich plastischen Relaxation des Kristalls. Um eine solche These erh{\"a}rten zu k{\"o}nnen wurde auf der Basis der aus den REM- und AFM-Bildern ausgewerteten Geometrie der Drahtstrukturen ein atomares Modell eines verspannten Kristalls erstellt. Mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus' kann dieses Modell seine eingepr{\"a}gte Verspannungsenergie elastisch abbauen. Die Fouriertransformierte des Realraumbildes des elastisch relaxierten Drahtes l{\"a}sst sich direkt mit den reziproken Gitterkarten vergleichen. Mittels dieser Simulation konnte die vertikale Verschiebung des Schichtreflexes unmittelbar den zylindrisch ,,verbogenen'' Kristallebenen zugeordnet werden. Ferner erm{\"o}glichen die Simulationen erstmalig die qualitative Interpretation der Beugungsmessungen an den Schattenmasken selbst. Die im Rahmen der Dissertation von H.R.~Ress vorgenommenen Beugungsmessungen an den Schattenmasken zeigen neben der vertikalen Verschiebung des AlGaAs-Schichtreflexes charakteristische diffuse Streifen um den Schichtreflex, die bislang unverstanden waren. Die Simulationen zeigen, dass diese Streifen erst bei der elastischen Relaxation des Drahtes durch die konvexe W{\"o}lbung der Drahtflanke entstehen. Diese diffusen Streifen lassen sich in den in dieser Arbeit gewachsenen Dr{\"a}hten aus II-VI-Halbleitern nicht unmittelbar nachweisen. Da die Schattenmasken bedingt durch das Herstellungsverfahren eine Rauigkeit der Schattenkanten von bis zu 150~nm aufweisen sind auch die Flanken der durch die Masken gewachsenen Strukturen stark aufgeraut. Deshalb streuen die den Draht begrenzenden Fassetten nicht koh{\"a}rent und bieten entsprechend keine definierte Abbruchbedingung der Fouriertransformation.},
  subject      = {Zwei-Sechs-Halbleiter},
  language  = {de}
}