@phdthesis{Winnerlein2020,
  author    = {Winnerlein, Martin},
  title     = {Molecular Beam Epitaxy and Characterization of the Magnetic Topological Insulator (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-21166},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-211666},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {The subject of this thesis is the fabrication and characterization of magnetic topological insulator layers of (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) exhibiting the quantum anomalous Hall effect. A major task was the experimental realization of the quantum anomalous Hall effect, which is only observed in layers with very specific structural, electronic and magnetic properties. These properties and their influence on the quantum anomalous Hall effect are analyzed in detail. First, the optimal conditions for the growth of pure Bi\(_2\)Te\(_3\) and Sb\(_2\)Te\(_3\) crystal layers and the resulting structural quality are studied. The crystalline quality of Bi\(_2\)Te\(_3\) improves significantly at higher growth temperatures resulting in a small mosaicity-tilt and reduced twinning defects. The optimal growth temperature is determined as 260\(^{\circ}\)C, low enough to avoid desorption while maintaining a high crystalline quality. The crystalline quality of Sb\(_2\)Te\(_3\) is less dependent on the growth temperature. Temperatures below 230\(^{\circ}\)C are necessary to avoid significant material desorption, though. Especially for the nucleation on Si(111)-H, a low sticking coefficient is observed preventing the coalescence of islands into a homogeneous layer. The influence of the substrate type, miscut and annealing sequence on the growth of Bi\(_2\)Te\(_3\) layers is investigated. The alignment of the layer changes depending on the miscut angle and annealing sequence: Typically, layer planes align parallel to the Si(111) planes. This can enhance the twin suppression due to transfer of the stacking order from the substrate to the layer at step edges, but results in a step bunched layer morphology. For specific substrate preparations, however, the layer planes are observed to align parallel to the surface plane. This alignment avoids displacement at the step edges, which would cause anti-phase domains. This results in narrow Bragg peaks in XRD rocking curve scans due to long-range order in the absence of anti-phase domains. Furthermore, the use of rough Fe:InP(111):B substrates leads to a strong reduction of twinning defects and a significantly reduced mosaicity-twist due to the smaller lattice mismatch. Next, the magnetically doped mixed compound V\(_z\)(Bi\(_{1-x}\)Sb\(_x\))\(_{2-z}\)Te\(_3\) is studied in order to realize the quantum anomalous Hall effect. The addition of V and Bi to Sb\(_2\)Te\(_3\) leads to efficient nucleation on the Si(111)-H surface and a closed, homogeneous layer. Magneto-transport measurements of layers reveal a finite anomalous Hall resistivity significantly below the von Klitzing constant. The observation of the quantum anomalous Hall effect requires the complete suppression of parasitic bulklike conduction due to defect induced carriers. This can be achieved by optimizing the thickness, composition and growth conditions of the layers. The growth temperature is observed to strongly influence the structural quality. Elevated temperatures result in bigger islands, improved crystallographic orientation and reduced twinning. On the other hand, desorption of primarily Sb is observed, affecting the thickness, composition and reproducibility of the layers. At 190\(^{\circ}\)C, desorption is avoided enabling precise control of layer thickness and composition of the quaternary compound while maintaining a high structural quality. It is especially important to optimize the Bi/Sb ratio in the (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) layers, since by alloying n-type Bi\(_2\)Te\(_3\) and p-type Sb\(_2\)Te\(_3\) charge neutrality is achieved at a specific mixing ratio. This is necessary to shift the Fermi level into the magnetic exchange gap and fully suppress the bulk conduction. The Sb content x furthermore influences the in-plane lattice constant a significantly. This is utilized to accurately determine x even for thin films below 10 nm thickness required for the quantum anomalous Hall effect. Furthermore, x strongly influences the surface morphology: with increasing x the island size decreases and the RMS roughness increases by up to a factor of 4 between x = 0 and x = 1. A series of samples with x varied between 0.56-0.95 is grown, while carefully maintaining a constant thickness of 9 nm and a doping concentration of 2 at.\% V. Magneto-transport measurements reveal the charge neutral point around x = 0.86 at 4.2 K. The maximum of the anomalous Hall resistivity of 0.44 h/e\(^2\) is observed at x = 0.77 close to charge neutrality. Reducing the measurement temperature to 50 mK significantly increases the anomalous Hall resistivity. Several samples in a narrow range of x between 0.76-0.79 show the quantum anomalous Hall effect with the Hall resistivity reaching the von Klitzing constant and a vanishing longitudinal resistivity. Having realized the quantum anomalous Hall effect as the first group in Europe, this breakthrough enabled us to study the electronic and magnetic properties of the samples in close collaborations with other groups. In collaboration with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt high-precision measurements were conducted with detailed error analysis yielding a relative de- viation from the von Klitzing constant of (0.17 \(\pm\) 0.25) * 10\(^{-6}\). This is published as the smallest, most precise value at that time, proving the high quality of the provided samples. This result paves the way for the application of magnetic topological insulators as zero-field resistance standards. Non-local magneto-transport measurements were conducted at 15 mK in close collaboration with the transport group in EP3. The results prove that transport happens through chiral edge channels. The detailed analysis of small anomalies in transport measurements reveals instabilities in the magnetic phase even at 15 mK. Their time dependent nature indicates the presence of superparamagnetic contributions in the nominally ferromagnetic phase. Next, the influence of the capping layer and the substrate type on structural properties and the impact on the quantum anomalous Hall effect is investigated. To this end, a layer was grown on a semi-insulating Fe:InP(111)B substrate using the previously optimized growth conditions. The crystalline quality is improved significantly with the mosaicity twist reduced from 5.4\(^{\circ}\) to 1.0\(^{\circ}\). Furthermore, a layer without protective capping layer was grown on Si and studied after providing sufficient time for degradation. The uncapped layer on Si shows perfect quantization, while the layer on InP deviates by about 5\%. This may be caused by the higher crystalline quality, but variations in e.g. Sb content cannot be ruled out as the cause. Overall, the quantum anomalous Hall effect seems robust against changes in substrate and capping layer with only little deviations. Furthermore, the dependence of the quantum anomalous Hall effect on the thickness of the layers is investigated. Between 5-8 nm thickness the material typically transitions from a 2D topological insulator with hybridized top and bottom surface states to a 3D topological insulator. A set of samples with 6 nm, 8 nm, and 9 nm thickness exhibits the quantum anomalous Hall effect, while 5 nm and 15 nm thick layers show significant bulk contributions. The analysis of the longitudinal and Hall conductivity during the reversal of magnetization reveals distinct differences between different thicknesses. The 6 nm thick layer shows scaling consistent with the integer quantum Hall effect, while the 9 nm thick layer shows scaling expected for the topological surface states of a 3D topological insulator. The unique scaling of the 9 nm thick layer is of particular interest as it may be a result of axion electrodynamics in a 3D topological insulator. Subsequently, the influence of V doping on the structural and magnetic properties of the host material is studied systematically. Similarly to Bi alloying, increased V doping seems to flatten the layer surface significantly. With increasing V content, Te bonding partners are observed to increase simultaneously in a 2:3 ratio as expected for V incorporation on group-V sites. The linear contraction of the in-plane and out-of-plane lattice constants with increasing V doping is quantitatively consistent with the incorporation of V\(^{3+}\) ions, possibly mixed with V\(^{4+}\) ions, at the group-V sites. This is consistent with SQUID measurements showing a magnetization of 1.3 \(\mu_B\) per V ion. Finally, magnetically doped topological insulator heterostructures are fabricated and studied in magneto-transport. Trilayer heterostructures with a non-magnetic (Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) layer sandwiched between two magnetically doped layers are predicted to host the axion insulator state if the two magnetic layers are decoupled and in antiparallel configuration. Magneto-transport measurements of such a trilayer heterostructure with 7 nm undoped (Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) between 2 nm thick layers doped with 1.5 at.\% V exhibit a zero Hall plateau representing an insulating state. Similar results in the literature were interpreted as axion insulator state, but in the absence of a measurement showing the antiparallel magnetic orientation other explanations for the insulating state cannot be ruled out. Furthermore, heterostructures including a 2 nm thin, highly V doped layer region show an anomalous Hall effect of opposite sign compared to previous samples. A dependency on the thickness and position of the doped layer region is observed, which indicates that scattering at the interfaces causes contributions to the anomalous Hall effect of opposite sign compared to bulk scattering effects. Many interesting phenomena in quantum anomalous Hall insulators as well as axion insulators are still not unambiguously observed. This includes Majorana bound states in quantum anomalous Hall insulator/superconductor hybrid systems and the topological magneto-electric effect in axion insulators. The limited observation temperature of the quantum anomalous Hall effect of below 1 K could be increased in 3D topological insulator/magnetic insulator heterostructures which utilize the magnetic proximity effect. The main achievement of this thesis is the reproducible growth and characterization of (V,Bi,Sb)2Te3 layers exhibiting the quantum anomalous Hall effect. The detailed study of the structural requirements of the quantum anomalous Hall effect and the observation of the unique axionic scaling behavior in 3D magnetic topological insulator layers leads to a better understanding of the nature of this new quantum state. The high-precision measurements of the quantum anomalous Hall effect reporting the smallest deviation from the von Klitzing constant are an important step towards the realization of a zero-field quantum resistance standard.},
  subject      = {Bismutverbindungen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wenisch2008,
  author    = {Wenisch, Jan},
  title     = {Ferromagnetic (Ga,Mn)As Layers and Nanostructures: Control of Magnetic Anisotropy by Strain Engineering},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-34552},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {This work studies the fundamental connection between lattice strain and magnetic anisotropy in the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As. The first chapters provide a general introduction into the material system and a detailed description of the growth process by molecular beam epitaxy. A finite element simulation formalism is developed to model the strain distribution in (Ga,Mn)As nanostructures is introduced and its predictions verified by high-resolution x-ray diffraction methods. The influence of lattice strain on the magnetic anisotropy is explained by an magnetostatic model. A possible device application is described in the closing chapter.},
  subject      = {Magnetischer Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Trabel2019,
  author    = {Trabel, Mirko},
  title     = {Growth and Characterization of Epitaxial Manganese Silicide Thin Films},
  doi       = {10.25972/OPUS-18472},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-184720},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {This thesis describes the growth and characterization of epitaxial MnSi thin films on Si substrates. The interest in this material system stems from the rich magnetic phase diagram resulting from the noncentrosymmetric B20 crystal structure. Here neighboring spins prefer a tilted relative arrangement in contrast to ferro- and antiferromagnets, which leads to a helical ground state where crystal and spin helix chirality are linked [IEM+85]. This link makes the characterization and control of the crystal chirality the main goal of this thesis. After a brief description of the material properties and applied methods, the thesis itself is divided into four main parts. In the first part the advancement of the MBE growth process of MnSi on Si\((111)\) substrate as well as the fundamental structural characterization are described. Here the improvement of the substrate interface by an adjusted substrate preparation process is demonstrated, which is the basis for well ordered flat MnSi layers. On this foundation the influence of Mn/Si flux ratio and substrate temperature on the MnSi layer growth is investigated via XRD and clear boundaries to identify the optimal growth conditions are determined. The nonstoichiometric phases outside of this optimal growth window are identified as HMS and Mn\(_5\)Si\(_3\). Additionally, a regime at high substrate temperatures and low Mn flux is discovered, where MnSi islands are growing incorporated in a Si layer, which could be interesting for further investigations as a size confinement can change the magnetic phase diagram [DBS+18]. XRD measurements demonstrate the homogeneity of the grown MnSi layers over most of the 3 inch wafer diameter and a small \(\omega\)-FWHM of about 0.02° demonstrates the high quality of the layers. XRD and TEM measurements also show that relaxation of the layers happens via misfit dislocations at the interface to the substrate. The second part of the thesis is concerned with the crystal chirality. Here azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections reveal twin domains with a \(\pm\)30° rotation to the substrate. These twin domains seem to consist of left and right-handed MnSi, which are connected by a mirror operation at the \((\bar{1}10)\) plane. For some of the asymmetric XRD reflections this results in different intensities for the different twin domains, which reveals that one of the domains is rotated +30° and the other is rotated -30°. From XRD and TEM measurements an equal volume fraction of both domains is deduced. Different mechanisms to suppress these twin domains are investigated and successfully achieved with the growth on chiral Si surfaces, namely Si\((321)\) and Si\((531)\). Azimuthal \(\phi\)-scans of asymmetric XRD reflections demonstrate a suppression of up to 92\%. The successful twin suppression is an important step in the use of MnSi for the proposed spintronics applications with skyrmions as information carriers, as discussed in the introduction. Because of this achievement, the third part of the thesis on the magnetic properties of the MnSi thin films is not only concerned with the principal behavior, but also with the difference between twinned and twin suppressed layers. Magnetometry measurements are used to demonstrate, that the MnSi layers behave principally as expected from the literature. The analysis of saturation and residual magnetization hints to the twin suppression on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates and further investigations with more samples can complete this picture. For comparable layers on Si\((111)\), Si\((321)\) and Si\((531)\) the Curie-Weiss temperature is identical within 1 K and the critical field within 0.1 T. Temperature dependent magnetoresistivity measurements also demonstrate the expected \(T^2\) behavior not only on Si\((111)\) but also on Si\((321)\) substrates. This demonstrates the successful growth of MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates. The latter measurements also reveal a residual resistivity of less then half for MnSi on Si\((321)\) in comparison to Si\((111)\). This can be explained with the reduced number of domain boundaries demonstrating the successful suppression of one of the twin domains. The homogeneity of the residual resistivity as well as the charge carrier density over a wide area of the Si\((111)\) wafer is also demonstrated with these measurements as well as Hall effect measurements. The fourth part shows the AMR and PHE of MnSi depending on the angle between in plane current and magnetic field direction with respect to the crystal direction. This was proposed as a tool to identify skyrmions [YKT+15]. The influence of the higher C\(_{3\mathrm{v}}\) symmetry of the twinned system instead of the C\(_3\) symmetry of a B20 single crystal is demonstrated. The difference could serve as a useful additional tool to prove the twin suppression on the chiral substrates. But this is only possible for rotations with specific symmetry surfaces and not for the studied unsymmetrical Si\((321)\) surface. Measurements for MnSi layers on Si\((111)\) above the critical magnetic field demonstrate the attenuation of AMR and PHE parameters for increasing resistivity, as expected from literature [WC67]. Even if a direct comparison to the parameters on Si\((321)\) is not possible, the higher values of the parameters on Si\((321)\) can be explained considering the reduced charge carrier scattering from domain boundaries. Below the critical magnetic field, which would be the region where a skyrmion lattice could be expected, magnetic hysteresis complicates the analysis. Only one phase transition at the critical magnetic field can be clearly observed, which leaves the existence of a skyrmion lattice in thin epitaxial MnSi layers open. The best method to solve this question seems to be a more direct approach in the form of Lorentz-TEM, which was also successfully used to visualize the skyrmion lattice for thin plates of bulk MnSi [TYY+12]. For the detection of in plane skyrmions, lamellas would have to be prepared for a side view, which seems in principle possible. The demonstrated successful twin suppression for MnSi on Si\((321)\) and Si\((531)\) substrates may also be applied to other material systems. Suppressing the twinning in FeGe on Si\((111)\) would lead to a single chirality skyrmion lattice near room temperature [HC12]. This could bring the application of skyrmions as information carriers in spintronics within reach. Glossary: MBE Molecular Beam Epitaxy XRD X-Ray Diffraction HMS Higher Manganese Silicide FWHM Full Width Half Maximum TEM Tunneling Electron Microscopy AMR Anisotropic MagnetoResistance PHE Planar Hall Effect Bibliography: [IEM+85] M. Ishida, Y. Endoh, S. Mitsuda, Y. Ishikawa, and M. Tanaka. Crystal Chirality and Helicity of the Helical Spin Density Wave in MnSi. II. Polarized Neutron Diffraction. Journal of the Physical Society of Japan, 54(8):2975, 1985. [DBS+18] B. Das, B. Balasubramanian, R. Skomski, P. Mukherjee, S. R. Valloppilly, G. C. Hadjipanayis, and D. J. Sellmyer. Effect of size confinement on skyrmionic properties of MnSi nanomagnets. Nanoscale, 10(20):9504, 2018. [YKT+15] T. Yokouchi, N. Kanazawa, A. Tsukazaki, Y. Kozuka, A. Kikkawa, Y. Taguchi, M. Kawasaki, M. Ichikawa, F. Kagawa, and Y. Tokura. Formation of In-plane Skyrmions in Epitaxial MnSi Thin Films as Revealed by Planar Hall Effect. Journal of the Physical Society of Japan, 84(10):104708, 2015. [WC67] R. H. Walden and R. F. Cotellessa. Magnetoresistance of Nickel-Copper Single-Crystal Thin Films. Journal of Applied Physics, 38(3):1335, 1967. [TYY+12] A. Tonomura, X. Yu, K. Yanagisawa, T. Matsuda, Y. Onose, N. Kanazawa, H. S. Park, and Y. Tokura. Real-Space Observation of Skyrmion Lattice in Helimagnet MnSi Thin Samples. Nano Letters, 12(3):1673, 2012. [HC12] S. X. Huang and C. L. Chien. Extended Skyrmion Phase in Epitaxial FeGe(111) Thin Films. Physical Review Letters, 108(26):267201, 2012.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Strauss2018,
  author    = {Strauß, Micha Johannes},
  title     = {Molekularstrahlepitaxie von niederdimensionalen GaInAs(N) Systemen f{\"u}r AlGaAs Mikroresonatoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-159024},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Die Erforschung von Quantenpunkten mit ihren quantisierten, atom{\"a}hnlichen Zust{\"a}nden, bietet eine Vielzahl von M{\"o}glichkeiten auf dem Weg zum Quantencomputer und f{\"u}r Anwendungen wie Einzelphotonenquellen und Quantenpunktlasern. Vorangegangene Studien haben grundlegend gezeigt, wie Quantenpunkte in Halbleiterresonatoren integriert und mit diesen gekoppelt werden k{\"o}nnen. Dazu war es zum einen notwendig, die Quantenpunkte und ihr epitaktisches Wachstum besser zu verstehen und zu optimieren. Zum anderen mussten die Bragg-Resonatoren optimiert werden, sodass G{\"u}ten von bis zu 165.000 realisiert werden konnten. Eingehende Studien dieser Proben zeigten im Anschluss einen komplexeren Zusammenhang von Q-Faktor und T{\"u}rmchendurchmesser. Man beobachtet eine quasi periodische Oszillation des Q-Faktors mit dem Pillar Durchmesser. Ein Faktor f{\"u}r diese Oszillation ist die Beschaffenheit der Seitenflanken des Resonatort{\"u}rmchens, bedingt durch die unterschiedlichen Eigenschaften von AlAs und GaAs bei der Prozessierung der T{\"u}rmchen. Dar{\"u}ber hinaus wurden in der Folge auf den Grundlagen dieser Strukturen sowohl optisch als auch elektrisch gepumpte Einzelphotonenquellen realisiert. Da in diesen Bauteilen auch die Lage des Quantenpunkts innerhalb des Resonatort{\"u}rmchens einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Kopplung zwischen Resonator und Quantenpunkt hat, war das weitere Ziel, die Quantenpunkte kontrolliert zu positionieren. Mit einer gezielten Positionierung sollte es m{\"o}glich sein, ein Resonatort{\"u}rmchen direkt {\"u}ber dem Quantenpunkt zu plazieren und den Quantenpunkt somit in das Maximum der optischen Mode zu legen. Besondere Herausforderung f{\"u}r die Aufgabenstellung war, Quantenpunkte in einem Abstand von mind. der H{\"a}lfte des angestrebten T{\"u}rmchendurchmessers, d.h 0,5 μm bis 2 μm, zu positionieren. Die Positionierung musste so erfolgen, dass nach dem Wachstum eines AlAs/GaAs DBR Spiegel {\"u}ber den Quantenpunkten, Resonatort{\"u}rmchen zielgenau auf die Quantenpunkte prozessiert werden k{\"o}nnen. Es wurden geeignete Prozesse zur Strukturierung eines Lochgitters in die epitaktisch gewaschene Probe mittels Elektronenstrahllithographie entwickelt. F{\"u}r ein weiteres Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie, mussten die nasschemischen Reinigungsschritte sowie eine Reinigung mit aktivem Wasserstoff im Ultrahochvakuum optimiert werden, sodass die Probe m{\"o}glichst defektfrei {\"u}berwachsen werden konnte, die Struktur des Lochgitters aber nicht zerst{\"o}rt wurde. Es wurden erfolgreich InAs-Quantenpunkte auf die vorgegebene Struktur positioniert, erstmals in einem Abstand von mehreren Mikrometern zum n{\"a}chsten Nachbarn. Eine besondere Herausforderung war die Vorbereitung f{\"u}r eine weitere Prozessierung der Proben nach Quantenpunktwachstum. Eine Analyse mittels prozessierten Goldkreuzen, dass 30 \% der Quantenpunkte innerhalb von 50 nm und 60 \% innerhalb von 100 nm prozessiert wurden. In der Folge wurde mit der hier erarbeiteten Methode Quantenpunkte erfolgreich in DBR-Resonatoren sowie photonische Kristalle eingebaut Die gute Abstimmbarkeit von Quantenpunkten und die bereits gezeigte M{\"o}glichkeit, diese in Halbleiterresonatoren einbinden zu k{\"o}nnen, machen sie auch interessant f{\"u}r die Anwendung im Telekommunikationsbereich. Um f{\"u}r Glasfasernetze Anwendung zu finden, muss jedoch die Wellenl{\"a}nge auf den Bereich von 1300 nm oder 1550 nm {\"u}bertragen werden. Vorangegangene Ergebnisse kamen allerdings nur knapp an die Wellenl{\"a}nge von 1300nm. Eine fu ̈r andere Bauteile sowie f{\"u}r Laserdioden bereits h{\"a}ufig eingesetzte Methode, InAs-Quantenpunkte in den Bereich von Telekommunikationswellenla ̈ngen zu verschieben, ist die Verwendung von Stickstoff als weiteres Gruppe-V-Element. Bisherige Untersuchungen fokussierten sich auf Anwendungen in Laserdioden, mit hoher Quantenpunktdichte und Stickstoff sowohl in den Quantenpunkten als in den umgebenen Strukturen. Da InAsN-Quantenpunkte in ihren optischen Eigenschaften durch verschiedene Verlustmechanismen leiden, wurde das Modell eines Quantenpunktes in einem Wall (Dot-in-Well) unter der Verwendung von Stickstoff weiterentwickelt. Durch gezielte Separierung der Quantenpunkte von den stickstoffhaltigen Schichten, konnte e eine Emission von einzelnen, MBE-gewachsenen InAs Quantenpunkten von {\"u}ber 1300 nm gezeigt werden. Anstatt den Stickstoff direkt in die Quantenpunkte oder unmittelbar danach in die Deckschicht ein zu binden, wurde eine Pufferschicht ohne Stickstoff so angepasst, dass die Quantenpunkte gezielt mit Wellenl{\"a}ngen gr{\"o}ßer 1300 nm emittieren. So ist es nun m{\"o}glich, die Emission von einzelnen InAs Quantenpunkten jenseits dieser Wellenl{\"a}nge zu realisieren. Es ist nun daran, diese Quantenpunkte mit den beschriebenen Mikroresonatoren zu koppeln, um gezielt optisch und elektrisch gepumpte Einzelphotonenquellen f{\"u}r 1300nm zu realisieren.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Semmel2010,
  author    = {Semmel, Julia Birgit},
  title     = {Herstellung von Quantenkaskadenlaserstrukturen auf InP und Entwicklung alternativer Bauteilkonzepte f{\"u}r den monomodigen Betrieb},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-53483},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist die Konzeptionierung und Charakterisierung verschiedener innovativer Bauteildesigns zur Optimierung der spektralen sowie elektro-optischen Eigenschaften von Quantenkaskadenlasern. Die Quantenkaskadenlaserschichten, die diesen Konzepten zu Grunde liegen wurden im Rahmen dieser Arbeit mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und optimiert. Diese Optimierung machte auch die Realisierung von Dauerstrichbetrieb m{\"o}glich. Dazu werden zun{\"a}chst die grundlegenden Eigenschaften von den in dieser Arbeit verwendeten III-V-Halbleitern sowie des InP-Materialsystems erl{\"a}utert. F{\"u}r diese Arbeit ist dabei die Kombination der beiden tern{\"a}ren Verbindungshalbleiter InGaAs und InAlAs in einer Halbleiterheterostruktur von zentraler Bedeutung, aus denen die aktive Zone der hier vorgestellten Quantenkaskadenlaser besteht. Basierend auf dem zweiten Kapitel wird dann im dritten Kapitel auf das Zusammenspiel der einzelnen konkurrierenden strahlenden und nicht strahlenden Streuprozesse in einer Quantenkaskadenlaserstruktur eingegangen. Dabei wird die prinzipielle Funktionsweise eines solchen komplexen Systems an Hand eines 3-Quantenfilm-Designs erl{\"a}utert. Das vierte Kapitel besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung und Grundcharakterisierung der Laserstrukturen. Dabei wird kurz das Konzept der Molekularstrahlepitaxie erkl{\"a}rt sowie der Aufbau der verwendeten Anlage beschrieben. Da ein Betrieb der Bauteile im Dauerstrichbetrieb deren Anwendbarkeit in vielen Bereichen verbessert, wird im f{\"u}nften Kapitel an Hand eines ausgew{\"a}hlten Strukturdesigns der Weg bis hin zur Realisierung des Dauerstrichbetriebs beschrieben. Des Weiteren wird auf einen besonderen Prozess zur Verbesserung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der fertigen Bauteile eingegangen. Dieser sogenannte Doppelkanal-Stegwellenleiter-Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass der entstehende Lasersteg seitlich durch zwei nasschemisch ge{\"a}tzte Gr{\"a}ben begrenzt wird.Die letzten drei Kapitel besch{\"a}ftigen sich mit verschiedenen Bauteilkonzepten zur Optimierung der spektralen sowie elektro-optischen Eigenschaften der Quantenkaskadenlaser. In Kapitel sechs werden dabei Mikrolaser mit tiefge{\"a}tzten Bragg-Spiegeln zur Realisierung von monomodigem Betrieb vorgestellt. Im folgenden Kapitel werden Laser mit aktiven gekoppelten Ringresonatoren vorgestellt. Der gekoppelte Ring funktioniert dabei als Filter nach dem Vernier-Prinzip und erm{\"o}glicht so monomodigen Betrieb. Im letzten Kapitel stehen schließlich Quantenkaskadenlaser mit trapezf{\"o}rmigem Verst{\"a}rkungsbereich im Mittelpunkt. Ziel dieses Teils der vorliegenden Arbeit war es die Ausgangsleistung der Bauteile zu erh{\"o}hen und dabei gleichzeitig die Fernfeldeigenschaften zu verbessern.},
  subject      = {Quantenkaskadenlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schwertberger2005,
  author    = {Schwertberger, Ruth},
  title     = {Epitaxie von InAs-Quanten-Dash-Strukturen auf InP und ihre Anwendung in Telekommunikationslasern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-14609},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von niedrigdimensionalen Strukturen f{\"u}r den Einsatz als aktive Schicht in InP-Halbleiterlasern. Quantenpunktstrukturen als Lasermedium weisen gegen{\"u}ber herk{\"o}mmlichen Quantenfilmlasern einige Vorteile auf, wie beispielsweise geringe Schwellenstromdichten, breites Verst{\"a}rkungsspektrum und geringe Temperatursensitivit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge. Ziel dieser Arbeit ist es, diese speziellen Vorteile, die im GaAs-System gr{\"o}ßtenteils nachgewiesen sind, auch auf das InP-System zu {\"u}bertragen, da dieses f{\"u}r die Telekommunikationswellenl{\"a}nge 1.55 µm pr{\"a}destiniert ist. Die vorgestellten Strukturen wurden mittels einer Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie-Anlage unter Verwendung der alternativen Gruppe-V-Precursor Terti{\"a}rbutylphosphin (TBP) und -arsin (TBA) hergestellt. Die Bildung der Quantenpunktstrukturen wurde zun{\"a}chst an Hand von Teststrukturen optimiert. Scheidet man InAs auf einem InP(100)-Substrat ab, so bilden sich - anders als auf GaAs - keine runden InAs-Quantenpunkte, sondern unregelm{\"a}ßige, strichf{\"o}rmige Strukturen mit einer klaren Vorzugsorientierung, sogenannte Dashes. Verschiedene Wachstumsparameter, wie die Menge an deponiertem InAs, der Strukturaufbau oder der Wachstumsmodus, lassen eine Beeinflussung der Emissionseigenschaften zu, die mittels Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht wurden. So kann die Emissionswellenl{\"a}nge der Dashes sehr genau und {\"u}ber einen großen Bereich zwischen 1.2 und 2.0 µm {\"u}ber die nominelle Dicke der Dash-Schicht festgelegt werden. Dieser Zusammenhang l{\"a}sst sich auch nutzen, um durch die Kombination von Schichten unterschiedlicher Dash-Gr{\"o}ße eine extreme Verbreiterung des Verst{\"a}rkungsspektrums auf {\"u}ber 300 nm zu erzielen. Neben der Hauptanwendung als Telekommunikationslaser sind auch Einsatzm{\"o}glichkeiten in der Gassensorik f{\"u}r einen Wellenl{\"a}ngenbereich zwischen 1.8 und 2.0 µm denkbar. Dieser ist neben der Verwendung extrem dicker Schichten durch das Prinzip des migrationsunterst{\"u}tzten Wachstums (engl. migration enhanced epitaxy) oder durch die Einbettung der Dash-Schichten in einen InGaAs-Quantenfilm ("Dash-in-a-Well"-Struktur) realisierbar. Letzteres zieht eine starke Rotverschiebung um etwa 130 meV bei gleichzeitiger schmaler und intensiver Emission nach sich. Da die Dashes einige sehr interessante Eigenschaften aufweisen, wurde ihre Eignung als aktive Schicht eines InP-Halbleiterlasers untersucht. Zun{\"a}chst wurden der genaue Schichtaufbau, speziell die Fernfeldcharakteristik, und die Wachstumsparameter optimiert. Ebenso wurde der Effekt eines nachtr{\"a}glichen Ausheilschritts diskutiert. Da die speziellen Vorteile der Quanten-Dash(QD)-Strukturen nur Relevanz haben, wenn auch ihre Grunddaten einem Quantenfilmlaser (QW-Laser) auf InP ebenb{\"u}rtig sind, wurde besonderer Wert auf einen entsprechenden Vergleich gelegt. Dabei zeigt sich, dass die Effizienzen ebenso wie die Absorption der QD-Laser nahezu identisch mit QW-Lasern sind. Die Schwellenstromdichten weisen eine st{\"a}rkere Abh{\"a}ngigkeit von der L{\"a}nge des Laserresonators auf, was dazu f{\"u}hrt, dass ab einer L{\"a}nge von 1.2 mm QD-Laser geringere Werte zeigen. Die Temperaturabh{\"a}ngigkeit der Schwellenstromdichte, die sich in der charakteristischen Temperatur T0 {\"a}ussert, zeigt dagegen f{\"u}r QD-Laser eine st{\"a}rkere Sensitivit{\"a}t mit maximalen T0-Werten von knapp {\"u}ber 100 K. Betrachtet man das Emissionsspektrum der QD-Laser, so f{\"a}llt die starke Blauverschiebung mit abnehmender Bauteill{\"a}nge auf. Gleichzeitig zeigen diese Laser im Vergleich zu QW-Lasern eine deutlich gr{\"o}ßere Temperaturstabilit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge. Beide Eigenschaften haben ihre Ursache in der flachen Form des Verst{\"a}rkungsspektrums. Zus{\"a}tzlich wurden einige der an Hand der Teststrukturen gezeigten Dash-Eigenschaften auch an Laserstrukturen nachgewiesen. So l{\"a}sst sich durch Variation der Dash-Schichtdicke von 5 auf 7.5 ML eine Verschiebung der Emissionswellenl{\"a}nge um bis zu 230 nm realisieren, wobei dieses Verfahren damit noch nicht ausgereizt ist. Ebenso wurde auch ein {\"U}berlapp aus sechs jeweils verschieden dicken Dash-Schichten in eine Laserstruktur eingebaut. An Hand von Subschwellspektren wurde eine Verst{\"a}rkungsbreite von etwa 220 nm nachgewiesen, die eine Abdeckung des gesamten Telekommunikationsbandes durch eine einzige Laserstruktur erlauben w{\"u}rde. Aus Quanten-Dash-Material prozessierte Stegwellenleiter (RWG)-Laser weisen sehr vielversprechende Daten mit hohen Ausgangsleistungen bis 15 mW pro Facette und niedrigen Schwellenstr{\"o}men auf. Damit schafft diese Arbeit die Grundvoraussetzungen, um InAs-Quanten-Dashes als echte Alternative zu herk{\"o}mmlichen Quantenfilmen in InP-Halbleiterlasern zu etablieren. Besonders das breite Verst{\"a}rkungsspektrum und die hohe Temperaturstabilit{\"a}t der Emissionswellenl{\"a}nge zeichnen dieses Material aus.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  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}
}
@phdthesis{Schreyeck2016,
  author    = {Schreyeck, Steffen},
  title     = {Molecular Beam Epitaxy and Characterization of Bi-Based V\(_2\)VI\(_3\) Topological Insulators},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-145812},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {The present thesis is addressed to the growth and characterization of Bi-based V2VI3 topological insulators (TIs). The TIs were grown by molecular beam epitaxy (MBE) on differently passivated Si(111) substrates, as well as InP(111) substrates. This allows the study of the influence of the substrate on the structural and electrical properties of the TIs. The Bi2Se3 layers show a change of mosaicity-tilt and -twist for growth on the differently prepared Si(111) substrates, as well as a significant increase of crystalline quality for growth on the lateral nearly lattice matched InP(111). The rocking curve FWHMs observed for thick layers grown on InP are comparable to these of common zincblende layers, which are close to the resolution limit of standard high resolution X-ray diffraction (HRXRD) setups. The unexpected high structural crystalline quality achieved in this material system is remarkable due to the presence of weak van der Waals bonds between every block of five atomic layers, i.e. a quintuple layer (QL), in growth direction. In addition to the mosaicity also twin domains, present in films of the V2VI3 material system, are studied. The twin defects are observed in Bi2Se3 layers grown on Si(111) and lattice matched InP(111) suggesting that the two dimensional surface lattice of the substrates can not determine the stacking order ABCABC... or ACBACB... in locally separated growth seeds. Therefore the growth on misoriented and rough InP(111) is analyzed. The rough InP(111) with its facets within a hollow exceeding the height of a QL is able to provide its stacking information to the five atomic layers within a QL. By varying the roughness of the InP substrate surface, due to thermal annealing, the influence on the twinning within the layer is confirmed resulting in a complete suppression of twin domains on rough InP(111). Focusing on the electrical properties of the Bi2Se3 films, the increased structural quality for films grown on lattice matched flat InP(111)B results in a marginal reduction of carrier density by about 10\% compared to the layers grown on H-passivated Si(111), whereas the suppression of twin domains for growth on rough InP(111)B resulted in a reduction of carrier density by an order of magnitude. This implies, that the twin domains are a main crystal defect responsible for the high carrier density in the presented Bi2Se3 thin films. Besides the binary Bi2Se3 also alloys with Sb and Te are fabricated to examine the influence of the compound specific point defects on the carrier density. Therefore growth series of the ternary materials Bi2Te(3-y)Se(y), Bi(2-x)Sb(x)Se3, and Bi(2-x)Sb(x)Te3, as well as the quaternary Bi(2-x)Sb(x)Te(3-y)Se(y) are studied. To further reduce the carrier density of twin free Bi2Se3 layers grown on InP(111)B:Fe a series of Bi(2-x)Sb(x)Se3 alloys were grown under comparable growth conditions. This results in a reduction of the carrier density with a minimum in the composition range of about x=0.9-1.0. The Bi(2-x)Sb(x)Te3 alloys exhibit a pn-transition, due to the dominating n-type and p-type point defects in its binary compounds, which is determined to reduce the bulk carrier density enabling the study the TI surface states. This pn-transition plays a significant role in realizing predicted applications and exotic effects, such as the quantum anomalous Hall effect. The magnetic doping of topological insulators with transition metals is studied by incorporating Cr and V in the alloy Bi(2-x)Sb(x)Te3 by codeposition. The preferential incorporation of Cr on group-V sites is confirmed by EDX and XRD, whereas the incorporation of Cr reduces the crystalline quality of the layer. Magnetotransport measurements of the Cr-doped TIs display an anomalous Hall effect confirming the realization of a magnetic TI thin film. The quantum anomalous Hall effect is observed in V-doped Bi(2-x)Sb(x)Te3, where the V-doping results in higher Curie temperatures, as well as higher coercive fields compared to the Cr-doping of the TIs. Moreover the present thesis contributes to the understanding of the role of the substrate concerning the crystalline quality of van der Waals bonded layers, such as the V2VI3 TIs, MoS2 and WoTe2. Furthermore, the fabrication of the thin film TIs Bi(2-x)Sb(x)Te(3-y)Se(y) in high crystalline quality serves as basis to explore the physics of topological insulators.},
  subject      = {Bismutverbindungen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schott2004,
  author    = {Schott, Gisela Marieluise},
  title     = {Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von (Ga,Mn)As Halbleiterschichten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-13470},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {In der Spintronik bestehen große Bem{\"u}hungen Halbleiter und ferromagnetische Materialien zu kombinieren, um die Vorteile der hoch spezialisierten Mikroelektronik mit denen der modernen magnetischen Speichertechnologie zu verbinden. In vielen Bereichen der Elektronik wird bereits der III-V Halbleiter GaAs eingesetzt und ferromagnetisches (Ga,Mn)As k{\"o}nnte in die vorhandenen optischen und elektronischen Bauteile integriert werden. Deshalb ist eine intensive Erforschung der kristallinen Qualit{\"a}t, der elektrischen und magnetischen Eigenschaften von (Ga,Mn)As-Legierungsschichten von besonderem Interesse. Wegen der niedrigen L{\"o}slichkeit der Mangan-Atome in GaAs, muss (Ga,Mn)As außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichtes mit Niedertemperatur-Molekularstrahl-Epitaxie hergestellt werden, um eine ausreichend hohe Konzentration an magnetischen Ionen zu erreichen. Dieses Niedertemperatur-Wachstum von Galliumarseniden verursacht Schwierigkeiten, da unerw{\"u}nschte Defekte eingebaut werden k{\"o}nnen. Die Art der Defekte und die Anzahl ist abh{\"a}ngig von den Wachstumsparametern. Vor allem das {\"u}bersch{\"u}ssige Arsen beeinflusst neben dem Mangan-Gehalt die Gitterkonstante und f{\"u}hrt zu einer starken elektrischen und magnetischen Kompensation des (Ga,Mn)As Materials. Abh{\"a}ngig von den Wachstumsparametern wurden Eichkurven zur Kalibrierung des Mangan-Gehaltes aus R{\"o}ntgenbeugungsmessungen, d. h. aus der (Ga,Mn)As-Gitterkonstanten bestimmt. Um ein besseres Verst{\"a}ndnis {\"u}ber die Einfl{\"u}sse der Wachstumsparameter neben dem Mangan-Gehalt auf die Gitterkonstante zu bekommen, wurden Probenserien gewachsen und mit R{\"o}ntgenbeugung und Sekund{\"a}rionen-Massenspektroskopie untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Mangan-Gehalt, unabh{\"a}ngig von den Wachstumsparametern, allein vom Mangan-Fluss bestimmt wird. Die Gitterkonstante hingegen zeigte eine Abh{\"a}ngigkeit von den Wachstumsparametern, d. h. von dem eingebauten {\"u}bersch{\"u}ssigen Arsen in das (Ga,Mn)As-Gitter. Im weiteren wurden temperaturabh{\"a}ngige laterale Leitf{\"a}higkeitsmessungen an verschiedenen (Ga,Mn)As-Einzelschichten durchgef{\"u}hrt. Es ergab sich eine Abh{\"a}ngigkeit nicht nur von dem Mangan-Gehalt, sondern auch von den Wachstumsparametern. Neben den Leitf{\"a}higkeitsmessungen wurden mit Kapazit{\"a}ts-Messungen die Ladungstr{\"a}gerkonzentrationen an verschiedenen (Ga,Mn)As-Schichten bestimmt. Es konnten Wachstumsbedingungen gefunden werden, bei der mit einem Mangan-Gehalt von 6\% eine Ladungstr{\"a}gerkonzentration von 2 · 10^(21) cm^(-3) erreicht wurde. Diese Schichten konnten reproduzierbar mit einer Curie-Temperatur von 70 K bei einer Schichtdicke von 70 nm hergestellt werden. Mit ex-situ Tempern konnte die Curie-Temperatur auf 140 K erh{\"o}ht werden. Neben (Ga,Mn)As-Einzelschichten wurden auch verschiedene (GaAs/MnAs)- {\"U}bergitterstrukturen gewachsen und mit R{\"o}ntgenbeugung charakterisiert. Ziel was es, {\"U}bergitter herzustellen mit einem hohen mittleren Mangan-Gehalt, indem die GaAs-Schichten m{\"o}glichst d{\"u}nn und die MnAs-Submonolagen m{\"o}glichst dick gewachsen wurden. D{\"u}nnere GaAs-Schichten als 10 ML Dicke f{\"u}hrten unabh{\"a}ngig von der Dicke der MnAs-Submonolage und den Wachstumsparametern zu polykristallinem Wachstum. Die dickste MnAs-Submonolage, die in einer {\"U}bergitterstruktur erreicht wurde, betrug 0.38 ML. {\"U}bergitterstrukturen mit nominell sehr hohem Mangan-Gehalt zeigen eine reduzierte Intensit{\"a}t der {\"U}bergitterreflexe, was auf eine Diffusion der Mangan-Atome hindeutet. Der experimentelle Wert der Curie-Temperatur von (Ga,Mn)As scheint durch die starke Kompensation des Materials limitiert zu sein. Theoretische Berechnungen auf der Grundlage des ladungstr{\"a}gerinduzierten Ferromagnetismus besagen eine Erh{\"o}hung der Curie-Temperatur mit Zunahme der Mangan-Atome auf Gallium-Gitterpl{\"a}tzen und der L{\"o}cherkonzentration proportional [Mn_Ga] · p^(1/3). Zun{\"a}chst wurden LT-GaAs:C-Schichten mit den Wachstumsbedingungen der LT-(Ga,Mn)As-Schichten gewachsen, um bei diesen Wachstumsbedingungen die elektrische Aktivierung der Kohlenstoffatome zu bestimmen. Es konnte eine L{\"o}cherkonzentration von 5 · 10^19 cm^(-3) verwirklicht werden. Aufgrund der erfolgreichen p-Dotierung von LT-GaAs:C wurden (Ga,Mn)As-Einzelschichten zus{\"a}tzlich mit Kohlenstoff p-dotiert. Abh{\"a}ngig von den Wachstumsbedingungen konnte eine Erh{\"o}hung der Ladungstr{\"a}gerkonzentration im Vergleich zu den (Ga,Mn)As-Schichten erreicht werden. Trotzdem ergaben magnetische Messungen f{\"u}r alle (Ga,Mn)As:C-Schichten eine Abnahme der Curie-Temperatur. Der Einfluss der Kohlenstoff-Dotierung auf die Gitterkonstante, die elektrische Leitf{\"a}higkeit und die Magnetisierung ließ auf einen ver{\"a}nderten Einbau der Mangan-Atome verursacht durch die Kohlenstoff-Dotierung schließen.},
  subject      = {Galliumarsenid},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schlereth2020,
  author    = {Schlereth, Raimund},
  title     = {New techniques and improvements in the MBE growth of Hg-containing narrow gap semiconductors},
  doi       = {10.25972/OPUS-20079},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-200790},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {The subject of this thesis is the growth of Hg\(_{1-x}\)Cd\(_2\)Te layers via molecular beam epitaxy (MBE). This material system gives rise to a number of extraordinary physical phenomena related to its electronic band structure and therefore is of fundamental interest in research. The main results can be divided into three main areas, the implementation of a temperature measurement system based on band edge thermometry (BET), improvements of CdTe virtual substrate growth and the investigation of Hg\(_{1-x}\)Cd\(_2\)Te for different compositions.},
  subject      = {Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Scheffler2023,
  author    = {Scheffler, Lukas},
  title     = {Molecular beam epitaxy of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb},
  doi       = {10.25972/OPUS-32283},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-322839},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {This work presents a newly developed method for the epitaxial growth of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb. All necessary process steps, from buffer growth to the deposition of a protective layer, are presented in detail. Using structural, electrical, and magnetic characterization, the material parameters of the epitaxial CuMnSb layers are investigated. The successful growth of CuMnSb by molecular beam epitaxy is demonstrated on InAs (001), GaSb (001), and InP (001) substrates. While CuMnSb can be grown pseudomorphically on InAs and GaSb, the significant lattice mismatch for growth on InP leads to relaxation already at low film thicknesses. Due to the lower conductivity of GaSb compared to InAs, GaSb substrates are particularly suitable for the fabrication of CuMnSb layers for lateral electrical transport experiments. However, by growing a high-resistive ZnTe interlayer below the CuMnSb layer, lateral transport experiments on CuMnSb layers grown on InAs can also be realized. Protective layers of Ru and Al2O3 have proven to be suitable for protecting the CuMnSb layers from the environment. Structural characterization by high resolution X-ray diffraction (full width at half maximum of 7.7 ′′ of the rocking curve) and atomic force microscopy (root mean square surface roughness of 0.14 nm) reveals an outstanding crystal quality of the epitaxial CuMnSb layers. The half-Heusler crystal structure is confirmed by scanning transmission electron microscopy and the stoichiometric material composition by Rutherford backscattering spectrometry. In line with the high crystal quality, a new minimum value of the residual resistance of CuMnSb (𝜌0 = 35 μΩ ⋅ cm) could be measured utilizing basic electrical transport experiments. An elaborate study of epitaxial CuMnSb grown on GaSb reveals a dependence of the vertical lattice parameter on the Mn/Sb flux ratio. This characteristic enables the growth of tensile, unstrained, and compressive strained CuMnSb layers on a single substrate material. Additionally, it is shown that the N{\´e}el temperature has a maximum of 62 K at stoichiometric material composition and thus can be utilized as a selection tool for stoichiometric CuMnSb samples. Mn-related defects are believed to be the driving force for these observations. The magnetic characterization of the epitaxial CuMnSb films is performed by superconducting quantum interference device magnetometry. Magnetic behavior comparable to the bulk material is found, however, an additional complex magnetic phase appears in thin CuMnSb films and/or at low magnetic fields, which has not been previously reported for CuMnSb. This magnetic phase is believed to be localized at the CuMnSb surface and exhibits both superparamagnetic and spin-glass-like behavior. The exchange bias effect of CuMnSb is investigated in combination with different in- and out-of-plane ferromagnets. It is shown that the exchange bias effect can only be observed in combination with in-plane ferromagnets. Finally, the first attempts at the growth of fully epitaxial CuMnSb/NiMnSb heterostructures are presented. Both magnetic and structural studies by secondary-ion mass spectrometry indicate the interdiffusion of Cu and Ni atoms between the two half-Heusler layers, however, an exchange bias effect can be observed for the CuMnSb/NiMnSb heterostructures. Whether this exchange bias effect originates from exchange interaction between the CuMnSb and NiMnSb layers, or from ferromagnetic inclusions in the antiferromagnetic layer can not be conclusively identified.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schallenberg2004,
  author    = {Schallenberg, Timo},
  title     = {Shadow mask assisted heteroepitaxy of compound semiconductor nanostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-10290},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Shadow Mask assisted Molecular Beam Epitaxy (SMMBE) is a technique enabling selected area epitaxy of semiconductor heterostructures through shadow masks. The objective of this work was the development of the SMMBE technique for the reliable fabrication of compound semiconductor nanostructures of high structural and optical quality. In order to accomplish this, technological processes have been developed and optimized. This, in combination with model calculations of the basic kinetic growth processes has enabled the fabrication of high quality quantum structures. A high spatial precision and control of the incidence regions of the molecular beams during the SMMBE process are required for the fabrication of nanostructures. One of the technological developments to this effect, which has substantially enhanced the versatility of SMMBE, is the introduction of a new type of freestanding shadow masks: Growth through such a mask with different incidence angles of the molecular beams is equivalent to employing different mechanical masks, but is much more accurate since the precision of mechanical alignment is limited. A consistent model has been developed, which successfully explains the growth dynamics of molecular beam epitaxy through shadow masks. The redistribution of molecular fluxes under shadow masks may affect the growth rates on selected areas of the substrate drastically. In the case of compound semiconductors, reactions between the constituent species play important roles in controlling the growth rates as a function of the growth parameters. The predictions of the model regarding the growth of II-VI and III-V compounds have been tested experimentally and the dependence of the growth rates on the growth parameters has been verified. Moreover, it has been shown, that selected area epitaxy of II-VI and III-V compounds are governed by different surface kinetics. Coexisting secondary fluxes of both constituent species and the apparent non-existence of surface diffusion are characteristic for SMMBE of II-VI compounds. In contrast, III-V SMMBE is governed by the interplay between secondary group-V flux and the surface migration of group-III adatoms. In addition to the basic surface kinetic processes described by the model, the roles of orientation and strain-dependent growth dynamics, partial shadow, and material deposition on the mask (closure of apertures) have been discussed. The resulting advanced understanding of the growth dynamics (model and basic experiments) in combination with the implementation of technical improvements has enabled the development and application of a number of different processes for the fabrication of both II-VI and III-V nanostructures. In addition to specific material properties, various other phenomena have been exploited, e.g., self-organization. It has been shown that, e.g., single quantum dots and quantum wires can be reliably grown. Investigations performed on the SMMBE nanostructures have demonstrated the high positional and dimensional precision of the SMMBE technique. Bright cathodoluminescence demonstrates that the resulting quantum structures are of high structural and optical quality. In addition to these results, which demonstrate SMMBE as a prospective nanofabrication technique, the limitations of the method have also been discussed, and various approaches to overcome them have been suggested. Moreover, propositions for the fabrication of complex quantum devices by the multiple application of a stationary shadow mask have been put forward. In addition to selected area growth, the shadow masks can assist in etching, doping, and in situ contact definition in nanoscale selected areas. Due to the high precision and control over the dimensions and positions of the grown structures, which at the same time are of excellent chemical, crystal, and optical quality, SMMBE provides an interesting perspective for the fabrication of complex quantum devices from II-VI and III-V semiconductors.},
  subject      = {Verbindungshalbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Pohl2013,
  author    = {Pohl, Christoph},
  title     = {Silicon Based MBE of Manganese-Silicide and Silicon-Suboxide},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-83757},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {The present thesis deals with the fabrication, optimization of growth process and characterization of silicon based materials with molecular beam epitaxy. Two material systems are investigated in the course of this work: silicon/silicon suboxide multilayer structures and mono manganese silicide thin films. Mono manganese silicide (MnSi) is grown on Si(111) substrates with an hydrogen passivated surface, that is prepared by wet chemical processes. The growth start is performed by deposition of an amorphous Mn wetting layer that is subsequently annealed to form a MnSi seed layer on which the MnSi molecular beam epitaxy (MBE) is achieved. An amorphous or a crystalline Si cap layer is deposited onto the MnSi film to finalize the growth process and protect the sample from oxidation. With Raman spectroscopy it is shown that the crystalline cap layer is in fact single crystalline silicon. Results of x-ray diffraction and Raman spectroscopy confirm the growth of mono manganese silicide in contrast to other existing manganese silicide phases. In addition, in-plane and out-of-plane residual strain, and twinning of the MnSi thin film is detected with x-ray diffraction of symmetric and asymmetric reflections. Orientation between the Si substrate and the MnSi film is determined with the parallel lattice planes MnSi(210) and Si(511). Transport measurements show a T^2 dependence of the resistivity below 30K and metallic behavior above, a magneto resistance of 0.9\% and an unusual memory like effect of the resistance for an in-plane magnetic field sweep measurement. Silicon/Silicon suboxide (SiOx) multilayer structures are grown on Si(100) by interrupting the Si growth and oxidizing the surface with molecular oxygen. During oxidation the RHEED pattern changes from the Si(2x1) reconstruction to an amorphous pattern. When silicon growth is resumed a spotty RHEED pattern emerges, indicating a rough, three dimensional surface. The rough surface can be smoothed out with Si growth at substrate temperatures between 600°C and 700°C. Measurements with transmission electron microscopy show that a silicon suboxide layer of about 1nm embedded in single crystalline silicon is formed with the procedure. Multilayer structures are achieved by repeating the oxidation procedure when the Si spacer layer has a smooth and flat surface. The oxygen content of the suboxide layers can be varied between 7.6\% and 26.8\%, as determined with secondary ion mass spectrometry and custom-built simulations models for the x-ray diffraction. Structural stability of the multilayer structures is investigated by x-ray diffraction before and after rapid thermal annealing. For temperatures up to 1000°C the multilayer structures show no modification of the SiOx layer in x-ray diffraction.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Pfeuffer2016,
  author    = {Pfeuffer, Rebekka Christina},
  title     = {Growth and characterization of II-VI semiconductor nanowires grown by Au catalyst assisted molecular beam epitaxy},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-141385},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {In the present PhD thesis the control of the morphology, such as the diameter, the length, the orientation, the density, and the crystalline quality of 1D ZnSe NWs grown by MBE for optical and transport applications has been achieved.},
  subject      = {Zinkselenid},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Paul2010,
  author    = {Paul, Markus Christian},
  title     = {Molecular beam epitaxy and properties of magnetite thin films on semiconducting substrates},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56044},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {The present thesis is concerned with molecular beam epitaxy of magnetite (Fe3O4) thin films on semiconducting substrates and the characterization of their structural, chemical, electronic, and magnetic properties. Magnetite films could successfully be grown on ZnO substrates with high structural quality and atomically abrupt interfaces. The films are structurally almost completely relaxed exhibiting nearly the same in-plane and out-of-plane lattice constants as in the bulk material. Films are phase-pure and show only small deviations from the ideal stoichiometry at the surface and in some cases at the interface. Growth proceeds via wetting layer plus island mode and results in a domain structure of the films. Upon coalescence of growing islands twin-boundaries (rotational twinning) and anti-phase boundaries are formed. The overall magnetization is nearly bulk-like, but shows a slower approach to saturation, which can be ascribed to the reduced magnetization at anti-phase boundaries. However, the surface magnetization which was probed by x-ray magnetic circular dichroism was significantly decreased and is ascribed to a magnetically inactive layer at the surface. Such a reduced surface magnetization was also observed for films grown on InAs and GaAs. Magnetite could also be grown with nearly ideal iron-oxygen stoichiometry on InAs substrates. However, interfacial reactions of InAs with oxygen occur and result in arsenic oxides and indium enrichment. The grown films are of polycrystalline nature. For the fabrication of Fe3O4/GaAs films, a postoxidation of epitaxial Fe films on GaAs was applied. Growth proceeds by a transformation of the topmost Fe layers into magnetite. Depending on specific growth conditions, an Fe layer of different thickness remains at the interface. The structural properties are improved in comparison with films on InAs, and the resulting films are well oriented along [001] in growth direction. The magnetic properties are influenced by the presence of the Fe interface layer as well. The saturation magnetization is increased and the approach to saturation is faster than for films on the other substrates. We argue that this is connected to a decreased density of anti-phase boundaries because of the special growth method. Interface phases, viz. arsenic and gallium oxides, are quantified and different growth conditions are compared with respect to the interface composition.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Mueller2012,
  author    = {M{\"u}ller, Andreas},
  title     = {Towards functional oxide heterostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-72478},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Oxide heterostructures attract a lot of attention as they display a vast range of physical phenomena like conductivity, magnetism, or even superconductivity. In most cases, these effects are caused by electron correlations and are therefore interesting for studying fundamental physics, but also in view of future applications. This thesis deals with the growth and characterization of several prototypical oxide heterostructures. Fe3O4 is highly ranked as a possible spin electrode in the field of spintronics. A suitable semiconductor for spin injection in combination with Fe3O4 is ZnO due to its oxide character and a sufficiently long spin coherence length. Fe3O4 has been grown successfully on ZnO using pulsed laser deposition and molecular beam epitaxy by choosing the oxygen partial pressure adequately. Here, a pressure variation during growth reduces an FeO-like interface layer. Fe3O4 films grow in an island-like growth mode and are structurally nearly fully relaxed, exhibiting the same lattice constants as the bulk materials. Despite the presence of a slight oxygen off-stoichiometry, indications of the Verwey transition hint at high-quality film properties. The overall magnetization of the films is reduced compared to bulk Fe3O4 and a slow magnetization behavior is observed, most probably due to defects like anti-phase boundaries originating from the initial island growth. LaAlO3/SrTiO3 heterostructures exhibit a conducting interface above a critical film thickness, which is most likely explained by an electronic reconstruction. In the corresponding model, the potential built-up owing to the polar LaAlO3 overlayer is compensated by a charge transfer from the film surface to the interface. The properties of these heterostructures strongly depend on the growth parameters. It is shown for the first time, that it is mainly the total pressure which determines the macroscopic sample properties, while it is the oxygen partial pressure which controls the amount of charge carriers near the interface. Oxygen-vacancy-mediated conductivity is found for too low oxygen pressures. A too high total pressure, however, destroys interface conductivity, most probably due to a change of the growth kinetics. Post-oxidation leads to a metastable state removing the arbitrariness in controlling the electronic interface properties by the oxygen pressure during growth. LaVO3/SrTiO3 heterostructures exhibit similar behavior compared to LaAlO3/SrTiO3 when it comes to a thickness-dependent metal-insulator transition. But in contrast to LaAlO3, LaVO3 is a Mott insulator exhibiting strong electron correlations. Films have been grown by pulsed laser deposition. Layer-by-layer growth and a phase-pure pervoskite lattice structure is observed, indicating good structural quality of the film and the interface. An electron-rich layer is found near the interface on the LaVO3 side for conducting LaVO3/SrTiO3. This could be explained by an electronic reconstruction within the film. The electrostatic doping results in a band-filling-controlled metal-insulator transition without suffering from chemical impurities, which is unavoidable in conventional doping experiments.},
  subject      = {Oxide},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Maier2017,
  author    = {Maier, Sebastian},
  title     = {Quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen und Licht-Materie-Schnittstellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152972},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Die Quanteninformationstechnologie ist ein Schwerpunkt intensiver weltweiter Forschungsarbeit, da sie L{\"o}sungen f{\"u}r aktuelle globale Probleme verspricht. So bietet die Quantenkommunikation (QKD, engl. quantum key distribution) absolut abh{\"o}rsichere Kommunikationsprotokolle und k{\"o}nnte, mit der Realisierung von Quantenrepeatern, auch {\"u}ber große Distanzen zum Einsatz kommen. Quantencomputer (engl. quantum computing) k{\"o}nnten von Nutzen sein, um sehr schwierige und komplexe mathematische Probleme schneller zu l{\"o}sen. Ein grundlegender kritischer Baustein der gesamten halbleiterbasierten Quanteninformationsverarbeitung (QIP, engl. quantum information processing) ist die Bereitstellung von Proben, die einerseits die geforderten physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits den Anforderungen der komplexen Messtechnik gen{\"u}gen, um die Quanteneigenschaften nachzuweisen und technologisch nutzbar machen zu k{\"o}nnen. In halbleiterbasierten Ans{\"a}tzen haben sich Quantenpunkte als sehr vielversprechende Kandidaten f{\"u}r diese Experimente etabliert. Halbleiterquantenpunkte weisen große {\"A}hnlichkeiten zu einzelnen Atomen auf, die sich durch diskrete Energieniveaus und diskrete Spektrallinien im Emissionsspektrum manifestieren, und zeichnen sich {\"u}berdies als exzellente Emitter f{\"u}r einzelne und ununterscheidbare Photonen aus. Außerdem k{\"o}nnen mit Quantenpunkten zwei kritische Bausteine in der Quanteninformationstechnologie abgedeckt werden. So k{\"o}nnen station{\"a}re Quantenbits (Qubits) in Form von Elektronenspinzust{\"a}nden gespeichert werden und mittels Spin-Photon-Verschr{\"a}nkung weit entfernte station{\"a}re Qubits {\"u}ber fliegende photonische Qubits verschr{\"a}nkt werden. Die Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Halbleiterproben, die sich durch definierte Eigenschaften f{\"u}r Experimente in der QIP auszeichnen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Basis f{\"u}r das Probenwachstum bildet dabei das Materialsystem von selbstorganisierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten. Die Herstellung der Quantenpunktproben mittels Molekularstrahlepitaxie erm{\"o}glicht h{\"o}chste kristalline Qualit{\"a}ten und bietet die M{\"o}glichkeit, die Quantenemitter in photonische Resonatoren zu integrieren. Dadurch kann die Lichtauskoppeleffizienz stark erh{\"o}ht und die Emission durch Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung verst{\"a}rkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene In(Ga)As-Quantenpunktproben mit definierten Anforderungen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren morphologische und optische Eigenschaften untersucht. F{\"u}r die Charakterisierung der Morphologie kamen Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Reflektions-, Photolumineszenz- und Resonanzfluoreszenz-Spektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen zweiter Ordnung ermittelt. Der Experimentalteil der Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, deren Kerninhalte im Folgenden kurz wiedergegeben werden. Quasi-Planare Einzelphotonenquelle mit hoher Extraktionseffizienz: Planare quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen mit hoher Extraktionseffizienz sind f{\"u}r Experimente zur Spinmanipulation von herausragender Bedeutung. Elektronen- und Lochspins haben sich als gute Kandidaten erwiesen, um gezielt einzelne Elektronenspins zu initialisieren, manipulieren und zu messen. Ein einzelner Quantenpunkt muss einfach geladen sein, damit er im Voigt-Magnetfeld ein λ-System bilden kann, welches die grundlegende Konfiguration f{\"u}r Experimente dieser Art darstellt. Wichtig sind hier einerseits eine stabile Spinkonfiguration mit langer Koh{\"a}renzzeit und andererseits hohe Lichtauskoppeleffizienzen. Quantenpunkte in planaren Mikrokavit{\"a}ten weisen gr{\"o}ßere Werte f{\"u}r die Spindephasierungszeit auf als Mikro- und Nanot{\"u}rmchenresonatoren, dagegen ist bei planaren Proben die Lichtauskoppeleffizienz geringer. In diesem Kapitel wird eine quasi-planare quantenpunktbasierte Quelle f{\"u}r einzelne (g(2)(0)=0,023) und ununterscheidbare Photonen (g(2)indist (0)=0,17) mit hoher Reinheit vorgestellt. Die Quantenpunktemission weist eine sehr hohe Intensit{\"a}t und optische Qualit{\"a}t mit Halbwertsbreiten nahe der nat{\"u}rlichen Linienbreite auf. Die Auskoppeleffizienz wurde zu 42\% f{\"u}r reine Einzelphotonenemission bestimmt und {\"u}bersteigt damit die, f{\"u}r eine planare Resonatorstruktur erwartete, Extraktionseffizienz (33\%) deutlich. Als Grund hierf{\"u}r konnte die Kopplung der Photonenemission an Gallium-induzierte, Gauß-artige Defektstrukturen ausgemacht werden. Mithilfe morphologischer Untersuchungen und Simulationen wurde gezeigt, dass diese Defektkavit{\"a}ten einerseits als Nukleationszentren f{\"u}r das Quantenpunktwachstum dienen und andererseits die Extraktion des emittierten Lichts der darunterliegenden Quantenpunkte durch Lichtb{\"u}ndelung verbessern. In weiterf{\"u}hrenden Arbeiten konnte an dieser spezifischen Probe der fundamentale Effekt der Verschr{\"a}nkung von Elektronenspin und Photon nachgewiesen werden, der einen kritischen Baustein f{\"u}r halbleiterbasierte Quantenrepeater darstellt. Im Rahmen dieses Experiments war es m{\"o}glich, die komplette Tomographie eines verschr{\"a}nkten Spin-Photon-Paares an einer halbleiterbasierten Spin-Photon Schnittstelle zu messen. {\"U}berdies konnte Zweiphotoneninterferenz und Ununterscheidbarkeit von Photonen aus zwei r{\"a}umlich getrennten Quantenpunkten auf diesem Wafer gemessen werden, was ebenfalls einen kritischen Baustein f{\"u}r Quantenrepeater darstellt. Gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System: Weitere Herausforderungen f{\"u}r optisch kontrollierte halbleiterbasierte Spin-Qubit-Systeme sind das schnelle und zerst{\"o}rungsfreie Auslesen der Spin-Information sowie die Implementierung eines skalierbaren Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Gatters. Ein k{\"u}rzlich ver{\"o}ffentlichtes theoretisches Konzept k{\"o}nnte hierzu einen eleganten Weg er{\"o}ffnen: Hierbei wird die spinabh{\"a}ngige Austauschwechselwirkung zwischen einem Elektron-Spin in einem Quantenpunkt und einem Exziton-Polariton-Gas, welches in einem nahegelegenen Quantenfilm eingebettet ist, ausgen{\"u}tzt. So k{\"o}nnte die Spin-Information zerst{\"o}rungsfrei ausgelesen werden und eine skalierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits {\"u}ber gr{\"o}ßere Distanzen erm{\"o}glicht werden, da sich die Wellenfunktion von Exziton-Polaritonen, abh{\"a}ngig von der G{\"u}te des Mikroresonators, {\"u}ber mehrere μm ausdehnen kann. Dies und weitere m{\"o}gliche Anwendungen machen das gekoppelte Quantenfilm-Quantenpunkt System sehr interessant, weshalb eine grundlegende experimentelle Untersuchung dieses Systems w{\"u}nschenswert ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Yoshihisa Yamamoto an der Universit{\"a}t Stanford, wurde hierzu ein konkretes Probendesign entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit technologisch verwirklicht. Durch systematische epitaktische Optimierung ist es gelungen, ein gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System erfolgreich in einen Mikroresonator zu implementierten. Das Exziton-Polariton-Gas konnte mittels eines Quantenfilms in starker Kopplung in einer Mikrokavit{\"a}t mit einer Rabi-Aufspaltung von VR=2,5 meV verwirklicht werden. Zudem konnten einfach geladene Quantenpunkte mit hoher optischer Qualit{\"a}t und klarem Einzelphotonencharakter (g(2)(0)=0,24) in unmittelbarer N{\"a}he zum Quantenfilm gemessen werden. Positionierte Quantenpunkte: F{\"u}r die Herstellung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen mit hoher optischer Qualit{\"a}t ist eine skalierbare technologische Produktionsplattform w{\"u}nschenswert. Dazu m{\"u}ssen einzelne Quantenpunkte positionierbar und somit deterministisch und skalierbar in Bauteile integriert werden k{\"o}nnen. Basierend auf zweidimensionalen, regelm{\"a}ßig angeordneten und dadurch adressierbaren Quantenpunkten gibt es zudem ein Konzept, um ein skalierbares, optisch kontrolliertes Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren. Das hier verfolgte Prinzip f{\"u}r die Positionierung von Quantenpunkten beruht auf der Verwendung von vorstrukturierten Substraten mit ge{\"a}tzten Nanol{\"o}chern, welche als Nukleationszentren f{\"u}r das Quantenpunktwachstum dienen. Durch eine optimierte Schichtstruktur und eine erh{\"o}hte Lichtauskopplung unter Verwendung eines dielektrischen Spiegels konnte erstmals Resonanzfluoreszenz an einem positionierten Quantenpunkt gemessen werden. In einem weiteren Optimierungsansatz konnte außerdem Emission von positionierten InGaAs Quantenpunkten auf GaAs Substrat bei 1,3 μm Telekommunikationswellenl{\"a}nge erreicht werden.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Mahapatra2007,
  author    = {Mahapatra, Suddhasatta},
  title     = {Formation and Properties of Epitaxial CdSe/ZnSe Quantum Dots : Conventional Molecular Beam Epitaxy and Related Techniques},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-32831},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Albeit of high technological import, epitaxial self-assembly of CdSe/ZnSe QDs is non-trivial and still not clearly understood. The origin and attributes of these QDs are significantly different from those of their III-V and group-IV counterparts. For III-V and group-IV heterosystems, QD-formation is assigned to the Stranski Krastanow (SK) transition, wherein elastic relaxation of misfit strain leads to the formation of coherent three-dimensional (3D) islands, from a supercritically strained two-dimensional (2D) epilayer. Unfortunately, this phenomenon is inconspicuous for the CdSe/ZnSe heterosystem. Well-defined 3D islands are not readily formed in conventional molecular beam epitaxial (MBE) growth of CdSe on ZnSe. Consequently, several alternative approaches have been adopted to induce/enhance formation of QDs. This thesis systematically investigates three such alternative approaches, along with conventional MBE, with emphasis on the formation-mechanism of QDs, and optimization of their morphological and optical attributes. It is shown here that no distinct 3D islands are formed in MBE growth of CdSe on ZnSe. The surface of the CdSe layer represents a rough 2D layer, characterized by a dense array of shallow (<1nm) abutting mounds. In capped samples, the CdSe deposit forms an inhomogeneous CdZnSe quantum well (QW)-like structure. This ternary QW consists of local Cd-rich inclusions, which confine excitons three-dimensionally, and act as QDs. The density of such QDs is very high (~ 1012 cm-2). The QDs defined by the composition inhomogeneities of the CdZnSe QW presumably originate from the shallow mounds of the uncapped CdSe surface. By a technique wherein a CdSe layer is grown at a low temperature (TG = 230 °C) and subsequently annealed at a significantly higher temperature (TA =310 °C), tiny but distinct 3D islands are formed. In this work, the mechanism underlying the formation of these islands is reported. While the CdSe deposit forms a quasi-two-dimensional (quasi-2D) layer at TG = 230 °C, subsequent annealing at TA = 310 °C results in a thermally activated "up-climb" of adatoms onto two-dimensional clusters (or precursors) and concomitant nucleation of 3D islands. The areal density of QDs, achieved by this technique, is at least a decade lower than that typical for conventional MBE growth. It is demonstrated that further reduction is possible by delaying the temperature ramp-up to TA. In the second technique, formation of distinct islands is demonstrated by deposition of amorphous selenium (a-Se) onto a 2D CdSe epilayer at room temperature and its subsequent desorption at a higher temperature (TD = 230 °C). Albeit the self-assembled islands are large, they are severely truncated during subsequent capping with ZnSe, presumably due to segregation of Cd and Zn-alloying of the islands. The segregation phenomenon is analyzed in this work and correlated to the optical properties of the QDs. Additionally, very distinct vertical correlation of QDs in QD-superlattices, wherein the first QD-layer is grown by this technique and the subsequent ones by migration enhanced epitaxy (MEE), is reported. The process steps of the third variant technique, developed in course of this work, are very similar to those of the previous one-the only alteration being the substitution of selenium with tellurium as the cap-forming-material. This leads not only to large alteration of the morphological and optical attributes of the QDs, but also to formation of unique self-assembled island-patterns. Oriented dashes, straight and buckled chains of islands, and aligned island-pairs are formed, depending on the thickness of the Te-cap layer. The islands are partially alloyed with Te and emit luminescence at very low energies (down to 1.7 eV at room temperature). The Te cap layer undergoes (poly)crystallization during temperature ramp-up (from room temperature to TD) for desorption. Here, it is shown that the self-assembled patterns of the island-ensembles are determined by the pattern of the grain boundaries of the polycrystalline Te layer. Based on an understanding of the mechanism of pattern formation, a simple and "clean" method for controlled positioning of individual QDs and QD-based extended nanostructures, is proposed in this work. The studies carried out in the framework of this thesis provide not only a deeper insight into the microscopic processes governing the heteroepitaxial self-assembly of CdSe/ZnSe(001) QDs, but also concrete approaches to achieve, optimize, and control several technologically-important features of QD-ensembles. Reduction and control of QD-areal-density, pronounced vertical correlation of distinctly-defined QDs in QD-superlattices, and self-assembly of QD-based extended structures, as demonstrated in this work, might turn out to be beneficial for envisioned applications in information-, and communication-technologies.},
  subject      = {Nanostruktur},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Loeffler2008,
  author    = {L{\"o}ffler, Andreas},
  title     = {Selbstorganisiertes Wachstum von (Ga)InAs/GaAs-Quantenpunkten und Entwicklung von Mikroresonatoren h{\"o}chster G{\"u}te f{\"u}r Experimente zur starken Exziton-Photon-Kopplung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-30323},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Als erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine h{\"o}here G{\"u}te der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der {\"A}tzprozess der T{\"u}rmchen wurde so optimiert, um m{\"o}glichst glatte und senkrechte Seitenw{\"a}nde der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenw{\"a}nden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie die Wachstumsparameter der einzelnen Halbleiterschichten optimiert. Somit konnte der Q-Faktor der Resonatoren zum Beispiel durch die Verwendung von Spiegeln mit einer h{\"o}heren Reflektivit{\"a}t und einem angepassten V/III-Verh{\"a}ltnis bei den verschiedenen Epitaxieschichten weiter erh{\"o}ht werden. F{\"u}r einen aktiven Mikroresonator mit 26 (30) Spiegelpaaren im oberen (unteren) DBR und einem Durchmesser von 4 µm wurden somit Rekordwerte f{\"u}r den Q-Faktor von ca. 90000 erreicht. Parallel hierzu wurden Analysen zum Wachstum von selbstorganisierten GaInAs-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten angestellt. Hierbei war sowohl die Entstehung der dreidimensionalen Wachstumsinseln als auch deren optische Eigenschaften Gegenstand der Untersuchungen. Die morphologischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde mittels Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert, womit die optischen Eigenschaften durch Photolumineszenz- und Photoreflexionsmessungen untersucht wurden. Die optischen und vor allem die geometrischen Eigenschaften der selbstorganisiert gewachsenen GaInAs-Quantenpunkte konnten entscheidend verbessert werden. Durch die Verwendung von einer gering verspannten Nukleationsschicht mit einem Indiumgehalt von 30 \% konnte die Fl{\"a}chendichte der Quantenpunkte auf 6 - 9 x 10^9 cm^-2 verringert und ihre geometrischen Abmessungen auf typische L{\"a}ngen von 50 - 100 nm und Breiten von ca. 30 nm erh{\"o}ht werden. Durch den reduzierten Indiumgehalt wird die Gitterfehlanpassung zwischen den Quantenpunkten und der umgebenden Matrix verkleinert. Die verringerte Verspannung beim Quantenpunktwachstum f{\"u}hrt zu einer erh{\"o}hten Migrationsl{\"a}nge der abgeschiedenen Atome auf der Oberfl{\"a}che, was wiederum zur Bildung von gr{\"o}ßeren Quantenpunkten mit geringerer Fl{\"a}chendichte f{\"u}hrt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse {\"u}ber das MBE-Wachstum von Mikroresonatoren, ihre Prozessierung und das selbstorganisierte Inselwachstum von GaInAs auf GaAs als Basis f{\"u}r die Herstellung weiterer Proben verwendet. Es wurden nun beide Bereiche miteinander verkn{\"u}pft und gering verspannte GaInAs-Quantenpunkte in die Mikroresonatoren eingewachsen. Die hohen G{\"u}ten der realisierten Mikrokavit{\"a}ten in Kombination mit Quantenpunkten mit vergr{\"o}ßerten Abmessungen und geringen Dichten machen diese Strukturen zu idealen Kandidaten f{\"u}r die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenelektrodynamik. Als H{\"o}hepunkt erm{\"o}glichten diese Strukturen zum ersten Mal den Nachweis einer starken Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in einem Halbleiter. F{\"u}r den Fall der gering verspannten vergr{\"o}ßerten Quantenpunkte im Regime der starken Kopplung konnte eine Vakuum-Rabi-Aufspaltung von ca. 140 µeV zwischen der Resonatormode und dem Quantenpunkt-Exziton beobachtet werden. Durch die verbesserten G{\"u}ten der Kavit{\"a}ten konnte das Regime der starken Wechselwirkung ebenfalls f{\"u}r kleinere Quantenpunkte erreicht werden. Eine Rabi-Aufspaltung von ca. 60 µeV wurde zum Beispiel f{\"u}r kreisrunde GaInAs-Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% und Durchmessern zwischen 20 und 25 nm gemessen. Das Regime der starken Kopplung erm{\"o}glicht es weiterhin, R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Oszillatorst{\"a}rke der eingewachsenen Quantenpunkte zu ziehen. So konnte zum Beispiel f{\"u}r die vergr{\"o}ßerten Quantenpunktstrukturen eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 40 - 50 abgesch{\"a}tzt werden. Dagegen weisen die leicht verkleinerten Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% nur eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 15 - 20 auf. Des Weiteren wurden f{\"u}r einen sp{\"a}teren elektrischen Betrieb der Bauteile dotierte Mikroresonatoren hergestellt. Die hohen G{\"u}ten der dotierten T{\"u}rmchen erm{\"o}glichten ebenso die Beobachtung von klaren quantenelektrodynamischen Effekten im elektrischen Betrieb. Die untersuchten elektrisch gepumpten Mikroresonatoren mit kleinen GaInAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht operierten im Regime der schwachen Kopplung und zeigten einen deutlichen Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von ca. 10 im Resonanzfall. Durch den Einsatz von vergr{\"o}ßerten GaInAs-Quantenpunkten konnte ebenfalls im elektrischen Betrieb das Regime der starken Wechselwirkung mit einer Rabi-Aufspaltung von 85 µeV erreicht werden.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Lochner2011,
  author    = {Lochner, Florian},
  title     = {Epitaxial growth and characterization of NiMnSb layers for novel spintronic devices},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-72276},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {In dieser Dissertation wurde das epitaktische Wachstum und die Charakterisierung des halb-metallischen Ferromagneten NiMnSb vorgestellt. NiMnSb kristallisiert in der C1b Kristallstruktur, welche {\"a}hnlich der Zinkblendestruktur von h{\"a}ufig verwendeten III-V Halbleitern ist. Eine besondere Eigenschaft von NiMnSb ist die theoretische 100\% Spin-polarisation an der Fermikante, die es zu einem perfekten Kandidaten f{\"u}r Spintronikexperimente macht. Eine weitere große Rolle f{\"u}r diese Arbeit spielten die magnetischen Eigenschaften von NiMnSb, insbesondere die niedrige magnetische D{\"a}mpfung der abgeschiedenen Schichten. Alle gewachsenen Schichten wurden mit der MBE-Technik hergestellt. Die Schichtstapel f{\"u}r alle unterschiedlichen Experimente und Anwendungen wurden auf InP Substrate in (001) oder (111)B Orientierung abgeschieden. Vor der NiMnSb Schicht wurde eine undotierte (In,Ga)As Pufferschicht gewachsen. F{\"u}r einige Proben auf InP(111)B wurde zus{\"a}tzlich eine Si-dotierte (In,Ga)As-Schicht auf die undotierte (In,Ga)As-Schicht gewachsen. Die Dotierungskonzentration der n-dotierenten Schicht wurde per ETCH-CV bestimmt. Alle Schichten wurden auf strukturelle Eigenschaften und die NiMnSb-Schichten zus{\"a}tzlich auf magnetische Eigenschaften untersucht. F{\"u}r die strukturellen Untersuchungen wurde die in-situ Technik RHEED und das ex-situ Werkzeug HRXRD verwendet. Auf beiden Orientierungen zeigten die RHEED-Beobachtungen eine gute Qualit{\"a}t der gewachsenen Puffer- und halb-metallischen Ferromagnetschichten. Dieses Ergebnis wurde durch die HRXRD-Messung best{\"a}rkt. Es konnte die vertikale Gitterkonstante bestimmt werden. Der erhaltene Wert von NiMnSb auf InP(001) a(NiMnSb_vertikal) = 5.925 {\AA} ist in guter {\"U}bereinstimmung mit dem Literaturwert a(NiMnSb_Lit) = 5.903 {\AA}[Cas55]. F{\"u}r NiMnSb auf InP(111)B wurde eine vertikale Gitterkonstante von a(NiMnSb_vertikal) = 6.017 {\AA} bestimmt. Die horizontale Gitterkonstante des Puffers und des halb-metallischen Ferromagneten konnte in guter {\"U}bereinstimmung mit der Substratgitterkonstante bestimmt werden. Allerdings ist dieses Ergebnis ausschließlich bis zu einer Schichtdicke von ≈40nm f{\"u}r NiMnSb g{\"u}ltig. Um diese maximale Schichtdicke zu erh{\"o}hen, wurden NiMnSb auf InP(001) Substrate gewachsen und mit einer Ti/Au-Schicht als Schutz versehen. Mit diesen Proben wurden reziproke Gitterkarten des (533) Reflex mit GIXRD am Synchrotron BW2 des HASYLAB gemessen [Kum07]. Es hat sich gezeigt, dass sich die kritische Schichtdicke mehr als verdopppeln l{\"a}sst, wenn eine Ti/Au- Schicht direkt nach dem Wachstum von NiMnSb abgeschieden wird, ohne das Ultrahochvakuum (UHV) zu verlassen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit FMR Experimenten und SQUID bestimmt. Der gemessene magnetische D{\"a}mpfungsparameter α einer 40nm dicken NiMnSb Schicht auf InP(001) wurde zu 3.19e-3 entlang [1-10] bestimmt. Die resultierende Linienbreite von unseren Schichten auf InP(001) ist mehr als 4.88 mal kleiner als bei [Hei04] gemessen. Ein weiteres Ergebnis ist die Richtungsabh{\"a}ngigkeit der D{\"a}mpfung. Es wurde gemessen, dass die D{\"a}mpfung sich um mehr als 42\% {\"a}ndert, wenn das angelegte Feld um 45° von [1-10] nach [100] gedreht wird. Mit SQUID messten wir die S{\"a}ttigungsmagnetisierung von einer 40nm dicken NiMnSb-Schicht zu 4µB. NiMnSb-Schichten auf InP(111)B Substrate wurden ebenfalls mit FMR untersucht, mit einem {\"u}berraschenden Ergebnis. Diese Schichten zeigten nicht nur eine Abnahme im Anisotropiefeld mit ansteigender Schichtdicke, sondern auch ein uniaxiales Anisotropieverhalten. Dieses Verhalten kann mit Defekten in diesen Proben erkl{\"a}rt werden. Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) wurden dreieckige Defekte gemessen. Diese Defekte haben ihren Ursprung in der Pufferschicht und beeinflussen die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmete sich dem Verhalten von NiMnSb bei Temperaturen um die 80K. In unserer Probe konnte ein Phasen{\"u}bergang in den Messdaten des normalen Hall Koeffizienten, anomalen Hall-Term und Leitungswiderstand nicht beobachtet werden. Der letzte Teil dieser Arbeit behandelt verschiedene Spintronikanwendungen, welche aus unseren NiMnSb-Schichten gebaut wurden. In einer ersten Anwendung agiert die Magnetisierung auf einen Strom I. Die so genannte GMR-Anwendung besteht aus InP:S(001)- 180nm undotierten (In,Ga)As - 40nm NiMnSb - 10nm Cu - 6nm NiFe - 10nm Ru in CPP Geomtrie . Wir erhielten ein MR-Verh{\"a}ltnis von 3.4\%. In einer zweiten Anwendung agiert der Strom I auf die Magnetisierung und nutzt dabei das Ph{\"a}nomen des Spin-Drehmomentes aus. Dieser so genannte Spin Torque Oscillator (STO) emittiert Frequenzen im GHz Bereich (13.94GHz - 14.1GHz). Die letzte hergestellte Anwendung basiert auf dem magnetischen Wirbelph{\"a}nomen. F{\"u}r das Umschalten der Kernpolarit{\"a}t sind die gyrotropischen Frequenzen f + = 254MHz, f - = 217MHz und ein totales, statisches magnetisches Feld von nur mµ0H = 65mT n{\"o}tig. Die Umkehreffizienz wurde besser als 99\% bestimmt.},
  subject      = {Nickelverbindungen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Leubner2017,
  author    = {Leubner, Philipp},
  title     = {Strain-engineering of the Topological Insulator HgTe},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-152446},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {The subject of this thesis is the control of strain in HgTe thin-film crystals. Such systems are members of the new class of topological insulator materials and therefore of special research interest. A major task was the experimental control of the strain in the HgTe films. This was achieved by a new epitaxial approach and confirmed by cristallographic analysis and magneto-transport measurements. In this work, strain was induced in thin films by means of coherent epitaxy on substrate crystals. This means that the film adopts the lattice constant of the substrate in the plane of the substrate-epilayer interface. The level of strain is determined by the difference between the strain-free lattice constants of the substrate and epilayer material (the so-called lattice mismatch). The film responds to an in-plane strain with a change of its lattice constant perpendicular to the interface. This relationship is crucial for both the correct interpretation of high resolution X-ray diffraction (HRXRD) measurements, and the precise determination of the band dispersion. The lattice constant of HgTe is smaller than the lattice constant of CdTe. Therefore, strain in HgTe is tensile if it is grown on a CdTe substrate. In principle, compressive strain can be achieved by using an appropriate \(\text{Cd}_{1-x}\text{Zn}_{x}\text{Te}\) substrate. This concept was modified and applied in this work. Epilayers have been fabricated by molecular-beam epitaxy (MBE). The growth of thick buffer layers of CdTe on GaAs:Si was established as an alternative to commercial CdTe and \(text{Cd}_{0.96}\text{Zn}_{0.04}\text{Te}\) substrates. The growth conditions have been optimized by an analysis of atomic force microscopy and HRXRD studies. HRXRD measurements reveal a power-law increase of the crystal quality with increasing thickness. Residual strain was found in the buffer layers, and was attributed to a combination of finite layer thickness and mismatch of the thermal expansion coefficients of CdTe and GaAs. In order to control the strain in HgTe epilayers, we have developed a new type of substrate with freely adjustable lattice constant. CdTe-\(\text{Cd}_{0.5}\text{Zn}_{0.5}\text{Te}\) strained-layer-superlattices have been grown by a combination of MBE and atomic-layer epitaxy (ALE), and have been analyzed by HRXRD. ALE of the \(\text{Cd}_{0.5}\text{Zn}_{0.5}\text{Te}\) layer is self-limiting to one monolayer, and the effective lattice constant can be controlled reproducibly and straightforward by adjusting the CdTe layer thickness. The crystal quality has been found to degrade with increasing Zn-fraction. However, the effect is less drastic compared to single layer \(\text{Cd}_{1-x}\text{Zn}_{x}\text{Te}\) solid solutions. HgTe quantum wells (QWs) sandwiched in between CdHgTe barriers have been fabricated in a similar fashion on superlattices and conventional CdTe and \(\text{Cd}_{0.96}\text{Zn}_{0.04}\text{Te}\) substrates. The lower critical thickness of the CdHgTe barrier material grown on superlattice substrates had to be considered regarding the sample design. The electronic properties of the QWs depend on the strain and thickness of the QW. We have determined the QW thickness with an accuracy of \(\pm\)0.5 nm by an analysis of the beating patterns in the thickness fringes of HRXRD measurements and X-ray reflectometry measurements. We have, for the first time, induced compressive strain in HgTe QWs by an epitaxial technique (i.e. the effective lattice constant of the superlattice is lower compared to the lattice constant of HgTe). The problem of the lattice mismatch between superlattice and barriers has been circumvented by using CdHgTe-ZnHgTe superlattices instead of CdHgTe as a barrier material. Furthermore, the growth of compressively strained HgTe bulk layers (with a thickness of at least 50 nm) was demonstrated as well. The control of the state of strain adds a new degree of freedom to the design of HgTe epilayers, which has a major influence on the band structure of QWs and bulk layers. Strain in bulk layers lifts the degeneracy of the \(\Gamma_8\) bands at \(\mathbf{k}=0\). Tensile strain opens an energy gap, compressive strain shifts the touching points of the valence- and conduction band to positions in the Brillouin zone with finite \(\mathbf{k}\). Such a situation has been realized for the first time in the course of this work. For QWs in the inverted regime, it is demonstrated that compressive strain can be used to significantly enhance the thermal energy gap of the two-dimensional electron gas (2DEG). In addition, semi-metallic and semiconducting behavior is expected in wide QWs, depending on the state of strain. An examination of the temperature dependence of the subband ordering in QWs revealed that the band gap is only temperature-stable for appropriate sample parameters and temperature regimes. The band inversion is always lifted for sufficiently high temperatures. A large number of models investigate the influence of the band gap on the stability of the quantum-spin-Hall (QSH) effect. An enhancement of the stability of QSH edge state conductance is expected for enlarged band gaps. Furthermore, experimental studies on the temperature dependence of the QSH conductance are in contradiction to theoretical predictions. Systematic studies of these aspects have become feasible based on the new flexibility of the sample design. Detailed low-temperature magnetotransport studies have been carried out on QWs and bulk layers. For this purpose, devices have been fabricated lithographically, which consist of two Hall-bar geometries with different dimensions. This allows to discriminate between conductance at the plane of the 2DEG and the edge of the sample. The Fermi energy in the 2DEG has been adjusted by means of a top gate electrode. The strain-induced transition from semi-metallic to semiconducting characteristics in wide QWs was shown. The magnitude of the semi-metallic overlap of valence- and conduction band was determined by an analysis of the two-carrier conductance and is in agreement with band structure calculations. The band gap of the semiconducting sample was determined by measurements of the temperature dependence of the conductance at the charge-neutrality point. Agreement with the value expected from theory has been achieved for the first time in this work. The influence of the band gap on the stability of QSH edge state conductance has been investigated on a set of six samples. The band gap of the set spans a range of 10 to 55 meV. The latter value has been achieved in a highly compressively strained QW, has been confirmed by temperature-dependent conductance measurements, and is the highest ever reported in the inverted regime. Studies of the carrier mobility reveal a degradation of the sample quality with increasing Zn-fraction in the superlattice, in agreement with HRXRD observations. The enhanced band gap does not suppress scattering mechanisms in QSH edge channels, but lowers the conductance in the plane of the 2DEG. Hence, edge state conductance is the dominant conducting process even at elevated temperatures. An increase in conductance with increasing temperature has been found, in agreement with reports from other groups. The increase follows a power-law dependency, the underlying physical mechanism remains open. A cause for the lack of an increase of the QSH edge state conductance with increasing energy gap has been discussed. Possibly, the sample remains insulating even at finite carrier densities, due to localization effects. The measurement does not probe the QSH edge state conductance at the situation where the Fermi energy is located in the center of the energy gap, but in the regime of maximized puddle-driven scattering. In a first set of measurements, it has been shown that the QSH edge state conductance can be influenced by hysteretic charging effects of trapped states in the insulating dielectric. A maximized conductance of \(1.6\ \text{e}^2/\text{h}\) was obtained in a \(58\ \mu\text{m}\) edge channel. Finally, measurements on three dimensional samples have been discussed. Recent theoretical works assign compressively strained HgTe bulk layers to the Weyl semi-metal class of materials. Such layers have been synthesized and studied in magnetotransport experiments for the first time. Pronounced quantum-Hall- and Shubnikov-de-Haas features in the Hall- and longitudinal resistance indicate two-dimensional conductance on the sample surface. However, this conductance cannot be assigned definitely to Weyl surface states, due to the inversion of \(\Gamma_6\) and \(\Gamma_8\) bands. If a magnetic field is aligned parallel to the current in the device, a decrease in the longitudinal resistance is observed with increasing magnetic field. This is a signature of the chiral anomaly, which is expected in Weyl semi-metals.},
  subject      = {Quecksilbertellurid},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Lermer2013,
  author    = {Lermer, Matthias},
  title     = {Wachstum und Charakterisierung von Quantenpunkt-Mikrot{\"u}rmchen mit adiabatischer Modenanpassung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-127438},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Verschiedene Konzepte zur Realisierung einer geeigneten Umgebung f{\"u}r Licht- Materie-Wechselwirkung konkurrieren um Anerkennung und eine st{\"a}ndige Optimierung der Systemparameter findet statt. Das Konzept von Mikrot{\"u}rmchen scheint pr{\"a}destiniert, da es viele anwendungsfreundliche Eigenschaften in sich vereint. Allerdings stellt die drastische Abnahme des Q Faktors f{\"u}r kleiner werdende Durchmesser d einen wesentlichen Limitierungsfaktor dieser Strukturen dar. F{\"u}r viele Anwendungen resultiert daraus ein Kompromiss aus hohem Q Faktor und kleinem Modenvolumen der Strukturen, wodurch das volle Potential des Resonatorsystems nicht ausgesch{\"o}pft werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, die drastische Abnahme des Q Faktors von Mikrot{\"u}rmchen mit Durchmessern um 1μm aufzuheben und dadurch Resonatoren mit d < 1μm f{\"u}r ausgepr{\"a}gte Licht-Materie-Wechselwirkung herzustellen. Dazu wurde erstmalig beabsichtigt eine Modenanpassung in Mikrot{\"u}rmchen vorgenommen. Mittels Molekularstrahlepitaxie konnte eine {\"U}bergangsregion, bestehend aus drei Segmenten, in diese Strukturen implementiert und so ein adiabatischer Moden{\"u}bergang zwischen der aktiven Mittelschicht und den Spiegelbereichen vorgenommen werden. Der positive Einfluss dadurch ergab sich in einer signifikanten Verbesserung des gemessenen Q Faktors f{\"u}r Durchmesser unter 1μm. F{\"u}r d = 0.85μm konnte ein Q Faktor von 14 400 bestimmt werden. Dies stellt damit den h{\"o}chsten je gemessenen Wert f{\"u}r Mikrot{\"u}rmchen im Submikrometerbereich dar. Dadurch wird ein Bereich mit Modenvolumina < 3 kubischen Wellenl{\"a}ngen erschlossen und ausgepr{\"a}gte Wechselwirkungseffekte im Mikrot{\"u}rmchensystem sind zu erwarten. Starke Quantenpunkt-Licht-Kopplung konnte in diesen Strukturen nachgewiesen werden. Die h{\"o}chste Vakuum-Rabiaufspaltung betrug 85μeV und die Visibilit{\"a}t wurde zu 0.41 bestimmt. Im Zuge der weiteren Optimierung der Systemparameter f{\"u}r die starke Kopplung wurde ein ex-situ Ausheilschritt auf die verwendete Quantenpunktsorte angewendet. In magnetooptischen Untersuchungen konnte damit eine Verdopplung der mittleren Oszillatorst{\"a}rke auf einen Wert von 12 abgesch{\"a}tzt werden. Weiter konnte in adiabatischen Mikrot{\"u}rmchen {\"u}ber einen großen Durchmesserbereich von 2.25 bis 0.95μm eindeutiger Laserbetrieb des Quantenpunktensembles nachgewiesen werden. Dabei konnte eine kontinuierliche Reduzierung der Laserschwelle von {\"u}ber zwei Gr{\"o}ßenordnungen f{\"u}r kleiner werdende Durchmesser beobachtet werden. F{\"u}r Durchmesser � < 1.6μm betrug der Beta-Faktor der Mikrolaser in etwa 0.5. Sie zeigten damit beinahe schwellenloses Verhalten. Zuletzt wurde der elektrische Betrieb von adiabatischen Mikrot{\"u}rmchen gezeigt. Daf{\"u}r wurde eine dotierte Struktur mit adiabatischem Design hergestellt. Im Vergleich zur undotierten Struktur fielen die gemessenen Q Faktoren in etwa um 5 000 geringer aus. Die spektralen Eigenschaften sowohl des Resonators als auch einzelner Quantenpunktlinien zeigten vernachl{\"a}ssigbare Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsart (optisch oder elektrisch) und zeugen von einem erfolgreichen Konzept zum elektrischen Betrieb der Bauteile. Zeitaufgel{\"o}ste Messungen erlaubten die Beobachtung von interessanten Dynamiken der Rekombination von Ladungstr{\"a}gern in den Proben. Als Ursache daf{\"u}r wurde ein hohes intrinsisches Feld, welches auf Grund des Designs der Schichtstruktur entsteht, identifiziert. Weiter zeigte sich, dass sich das interne Feld durch Anregungsart und extern angelegte Spannungen manipulieren l{\"a}sst.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Langer2020,
  author    = {Langer, Fabian},
  title     = {Wachstum und Charakterisierung von 1,0 eV GaInNAs-Halbleitern f{\"u}r die Anwendung in Mehrfachsolarzellen},
  doi       = {10.25972/OPUS-20088},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-200881},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden GaInP/GaAs/GaInNAs 3J-Mehrfachsolarzellen in einem MBE/MOVPE-Hybridprozess hergestellt und untersucht. Der verwendete Hybridprozess, bei dem nur die GaInNAs-Teilsolarzelle mittels MBE hergestellt wird, kombiniert diese beiden Technologien und setzt sie entsprechend ihrer jeweiligen Vorteile ein. Die gezeigten Ergebnisse best{\"a}tigen grunds{\"a}tzlich die Machbarkeit des Hybridprozesses, denn eine Degradation des mittels MBE hergestellten GaInNAs-Materials durch die Atmosph{\"a}re im MOVPE-Reaktor konnte nicht festgestellt werden. Dieses Resultat wurde von im Hybridprozess hergestellten 3J-Mehrfachsolarzellen, die GaInNAs-Teilsolarzellen enthalten, bekr{\"a}ftigt. Die offene Klemmspannung einer gezeigten Solarzelle erreichte bereits 2,59 V (AM1.5d) bzw. 2,48 V (AM0) und liegt damit jeweils {\"u}ber einer als Referenz hergestellten 2J-Mehrfachsolarzelle ohne GaInNAs. Die mittlere interne Quanteneffizienz der enthaltenen GaInNAs-Teilsolarzelle liegt bei 79 \%. Die Berechnungen auf Grundlage dieser Effizienz unter Beleuchtung mit AM1.5d und unter Beleuchtung mit AM0 zeigten, dass nicht die enthaltene GaInNAs-Teilsolarzelle Strom limitierend wirkt, sondern die mittels MOVPE gewachsene GaInP-Teilsolarzelle. Die experimentell bestimmte Kurzschlussstromdichte der hergestellten Mehrfachsolarzelle ist wegen dieser Limitierung etwas geringer als die der 2J-Referenzsolarzelle. Der MOVPE-{\"U}berwachsvorgang bietet zwar noch weiteres Verbesserungspotential, aber es ist naheliegend, dass der Anwachsvorgang auf dem MBE-Material soweit optimiert werden kann, dass die aufgewachsenen GaInP- und GaAs-Schichten frei von Degradation bleiben. Damit bietet der Hybridprozess perspektivisch das Potential g{\"u}nstigere Produktionskosten in der Epitaxie von Mehrfachsolarzellen mit verd{\"u}nnten Nitriden zu erreichen als es ausschließlich mittels MBE m{\"o}glich ist. Im Vorfeld zur Herstellung der 3J-Mehrfachsolarzellen wurden umfassende Optimierungsarbeiten des MBE-Prozesses zur Herstellung der GaInNAs-Teilsolarzelle durchgef{\"u}hrt. So wurde insbesondere festgestellt, dass das As/III-Verh{\"a}ltnis w{\"a}hrend dem Wachstum einen entscheidenden Einfluss auf die elektrisch aktive Dotierung des GaInNAs-Materials besitzt. Die elektrisch aktive Dotierung wiederum beeinflusst sehr stark die Ausdehnung der Raumladungszone in den als p-i-n-Struktur hergestellten GaInNAs-Solarzellen und hat damit einen direkten Einfluss auf deren Stromerzeugung. In der Tendenz zeigte sich eine Zunahme der Stromerzeugung der GaInNAs-Teilsolarzellen bei einer gleichzeitigen Abnahme ihrer offenen Klemmspannung, sobald das As/III-Verh{\"a}ltnis w{\"a}hrend des Wachstums reduziert wurde. Durch eine sehr exakte Kalibration des As/III-Verh{\"a}ltnisses konnte ein bestm{\"o}glicher Kompromiss zwischen offener Klemmspannung und Stromerzeugung gefunden werden. Eine gezeigte GaInNAs-Einfachsolarzelle erreichte eine mittlere interne Quanteneffizienz von 88 \% und eine offene Klemmspannung von 341 mV (AM1.5d) bzw. 351 mV (AM0). Berechnungen auf Grundlage der Quanteneffizienz ergaben, dass diese Solarzelle integriert in eine 3J-Mehrfachsolarzelle unter dem Beleuchtungsspektrum AM1.5g eine Stromdichte von 14,2 mA/cm^2 und unter AM0 von 17,6 mA/cm^2 erzeugen w{\"u}rde. Diese Stromdichten sind so hoch, dass diese GaInNAs-Solarzelle die Stromproduktion der GaInP- und GaAs-Teilsolarzellen in einer g{\"a}ngigen Mehrfachsolarzelle erreicht und keine Ladungstr{\"a}gerverluste auftreten w{\"u}rden. Aufgrund ihrer h{\"o}heren offenen Klemmspannung gegen{\"u}ber einer Ge-Teilsolarzelle bietet diese GaInNAs-Teilsolarzelle das Potential die Effizienz der Mehrfachsolarzelle zu steigern. Messungen der Dotierkonzentration in der GaInNAs-Schicht dieser Solarzelle ergaben extrem geringe Werte im Bereich von 1x10^14 1/cm^3 bis 1x10^15 1/cm^3 (p-Leitung). In Erg{\"a}nzung zu den Optimierungen des As/III-Verh{\"a}ltnisses konnte gezeigt werden, dass sich ein {\"U}bergang von p- zu n-Leitung im GaInNAs mit der Verringerung des As/III-Verh{\"a}ltnisses erzeugen l{\"a}sst. Nahe des {\"U}bergangsbereiches wurden sehr geringe Dotierungen erreicht, die sich durch eine hohe Stromproduktion aufgrund der Ausbildung einer extrem breiten Verarmungszone gezeigt haben. Durch eine reduzierte offene Klemmspannung der bei relativ geringen As/III-Verh{\"a}ltnissen hergestellten Solarzellen mit n-leitendem GaInNAs konnte auf das Vorhandensein von elektrisch aktiven Defekten geschlossen werden. Generell konnten die gemessenen elektrisch aktiven Dotierkonzentrationen im Bereich von {\"u}blicherweise 10^16 1/cm^3 mit hoher Wahrscheinlichkeit auf elektrisch aktive Kristalldefekte im GaInNAs zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Eine Kontamination des Materials mit Kohlenstoffatomen in dieser Gr{\"o}ßenordnung wurde ausgeschlossen.},
  subject      = {Mehrfach-Solarzelle},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Knebl2019,
  author    = {Knebl, Georg},
  title     = {Epitaktisches Wachstum und Transportuntersuchung topologisch isolierender Materialien: GaSb/InAs Doppelquantenfilme und Bi\(_2\)Se\(_3\) Nanostrukturen},
  doi       = {10.25972/OPUS-19147},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-191471},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Topologische Isolatoren geh{\"o}ren zu einer Klasse von Materialien, an deren Realisation im Rahmen der zweiten quantenmechanischen Revolution gearbeitet wird. Einerseits sind zahlreiche Fragestellungen zu diesen Materialen und deren Nutzbarmachung noch nicht beantwortet, andererseits treiben vielversprechende Anwendungen im Feld der Quantencomputer und Spintronik die L{\"o}sung dieser Fragen voran. Topologische Rand- bzw. Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nde wurden f{\"u}r unterschiedlichste Materialien und Strukturen theoretisch vorhergesagt, so auch f{\"u}r GaSb/InAs Doppelquantenfilme und Bi2Se3. Trotz intensiver Forschungsarbeiten und großer Fortschritte bed{\"u}rfen viele Prozesse v. a. im Bereich der Probenherstellung und Verarbeitung noch der Optimierung. Die vorliegende Arbeit pr{\"a}sentiert Ergebnisse zur Molekularstahlepitaxie, zur Probenfertigung sowie zu elektro-optisch modulierter Transportuntersuchung von GaSb/InAs Doppelquantenfilmen und der epitaktischen Fertigung von Bi2Se3 Nanostrukturen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Parameter zur Molekularstrahlepitaxie sowie die Anpassung der Probenfertigung von GaSb/InAs Doppelquantenfilmen an material- und untersuchungsbedingte Notwendigkeiten beschrieben. Dieser verbesserte Prozess erm{\"o}glicht die Fertigung quantitativ vergleichbarer Probenserien. Anschließend werden Ergebnisse f{\"u}r Strukturen mit variabler InAs Schichtdicke unter elektrostatischer Kontrolle mit einem Frontgate pr{\"a}sentiert. Auch mit verbessertem Prozess zeigten sich Leckstr{\"o}me zum Substrat. Diese erschweren eine elektrostatische Kontrolle {\"u}ber Backgates. Die erstmals durch optische Anregung pr{\"a}sentierte Manipulation der Ladungstr{\"a}gerart sowie des Phasenzustandes in GaSb/InAs Doppelquantenfilmen bietet eine Alternative zu problembehafteten elektrostatisch betriebenen Gates. Im zweiten Teil wird die epitaktische Herstellung von Bi2Se3 Nanostrukturen gezeigt. Mit dem Ziel, Vorteile aus dem erh{\"o}hten Oberfl{\"a}che-zu-Volumen Verh{\"a}ltnis zu ziehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals Bi2Se3 Nanodr{\"a}hte und -flocken mittels Molekularstrahlepitaxie f{\"u}r die Verwendung als topologischer Isolator hergestellt. Ein Quantensprung - Kapitel 1 f{\"u}hrt {\"u}ber die umgangssprachliche Wortbedeutung des Quantensprungs und des damit verbundenen Modells der Quantenmechanik in das Thema. Die Anwendung dieses Modells auf Quanten-Ensembles und dessen technische Realisation wird heute als erste Quantenmechanische Revolution bezeichnet und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Im Rahmen der zweiten Quantenmechanischen Revolution soll nun die Anwendung auf einzelne Zust{\"a}nde realisiert und technisch nutzbar gemacht werden. Hierbei sind topologische Isolatoren ein vielversprechender Baustein. Es werden das Konzept des topologischen Isolators sowie die Eigenschaften der beiden in dieser Arbeit betrachteten Systeme beschrieben: GaSb/InAs Doppelquantenfilme und Bi2Se3 Nanostrukturen. GaSb/InAs Doppelquantenfilme Kapitel 2 beschreibt die notwendigen physikalischen und technischen Grundlagen. Ausgehend von der Entdeckung des Hall-Effekts 1879 werden die Quanten-Hall-Effekte eingef{\"u}hrt. Quanten-Spin-Hall-Isolatoren oder allgemeiner topologische Isolatoren sind Materialien mit einem isolierenden Inneren, weisen an der Oberfl{\"a}che aber topologisch gesch{\"u}tzte Zust{\"a}nde auf. Doppelquantenfilme aus GaSb/InAs, die in AlSb gebettet werden, weisen - abh{\"a}ngig vom Aufbau der Heterostruktur - eine typische invertierte Bandstruktur auf und sind ein vielversprechender Kandidat f{\"u}r die Nutzbarmachung der topologischen Isolatoren. GaSb, InAs und AlSb geh{\"o}ren zur 6,1 {\AA}ngstr{\"o}m-Familie, welche f{\"u}r ihre opto-elektronischen Eigenschaften bekannt ist und h{\"a}ufig verwendet wird. Die Eigenschaften sowie die technologischen Grundlagen der epitaktischen Fertigung von Heterostrukturen aus den Materialien der 6,1 {\AA}ngstr{\"o}m-Familie mittels Molekularstrahlepitaxie werden besprochen. Abschließend folgen die Charakterisierungs- und Messmethoden. Ein {\"U}berblick {\"u}ber die Literatur zu GaSb/InAs Doppelquantenfilmen in Bezug auf topologische Isolatoren rundet dieses Kapitel ab. Zu Beginn dieser Arbeit stellten Kurzschlusskan{\"a}le eine Herausforderung f{\"u}r die Detektion der topologischen Randkan{\"a}le dar. Kapitel 3 behandelt L{\"o}sungsans{\"a}tze hierf{\"u}r und beschreibt die Verbesserung der Herstellung von GaSb/InAs Doppelquantenfilm-Strukturen mit Blick auf die zuk{\"u}nftige Realisation topologischer Randkan{\"a}le. In Abschnitt 3.1 werden numerische Simulationen pr{\"a}sentiert, die sich mit der Inversion der elektronischen Niveaus in Abh{\"a}ngigkeit der GaSb und InAs Schichtdicken dGaSb und dInAs besch{\"a}ftigen. Ein geeigneter Schichtaufbau f{\"u}r Strukturen mit invertierter Bandordnung liegt im Parameterraum von 8 nm ≾ dInAs ≾ 12 nm und 8 nm ≾ dGaSb ≾ 10 nm. Abschnitt 3.2 beschreibt die epitaktische Herstellung von GaSb/InAs Doppelquantenfilmen mittels Molekularstrahlepitaxie. Die Fertigung eines GaSb Quasisubstrats auf ein GaAs Substrat wird pr{\"a}sentiert und anschließend der Wechsel auf native GaSb Substrate mit einer reduzierten Defektdichte sowie reproduzierbar hoher Probenqualit{\"a}t begr{\"u}ndet. Ein Wechseln von bin{\"a}rem AlSb auf gitterangepasstes AlAsSb erlaubt die Verwendung dickerer Barrieren. Versuche, eine hinl{\"a}ngliche Isolation des Backgates durch das Einbringen einer dickeren unteren Barriere zu erreichen, werden in diesem Abschnitt diskutiert. In Abschnitt 3.3 wird die Optimierung der Probenprozessierung gezeigt. Die Kombination zweier angepasster {\"A}tzprozesse - eines trockenchemischen und eines sukzessive folgenden nasschemischen Schrittes - liefert zusammen mit der Entfernung von Oberfl{\"a}chenoxiden reproduzierbar gute Ergebnisse. Ein materialselektiver {\"A}tzprozess mit darauffolgender direkter Kontaktierung des InAs Quantenfilmes liefert gute Kontaktwiderst{\"a}nde, ohne Kurzschlusskan{\"a}le zu erzeugen. Abschnitt 3.4 gibt einen kompakten {\"U}berblick, {\"u}ber den im weiteren Verlauf der Arbeit verwendeten „best practice" Prozess. Mit diesem verbesserten Prozess wurden Proben mit variabler InAs Schichtdicke gefertigt und bei 4,2 K auf ihre Transporteigenschaften hin untersucht. Dies ist in Kapitel 4 pr{\"a}sentiert und diskutiert. Abschnitt 4.1 beschreibt die Serie aus drei Proben mit GaSb/InAs Doppelquantenfilm in AlSb Matrix mit einer variablen InAs Schichtdicke. Die InAs Schichtdicke wurde {\"u}ber numerische Simulationen so gew{\"a}hlt, dass je eine Probe im trivialen Regime, eine im invertierten Regime und eine am {\"U}bergang liegt. Gezeigt werden in Kapitel 4.2 Magnetotransportmessungen f{\"u}r konstante Frontgatespannungen sowie Messungen mit konstantem Magnetfeld gegen die Frontgatespannung. Die Messungen best{\"a}tigen eine Fertigung quantitativ vergleichbarer Proben, zeigen aber auch, dass keine der Proben im topologischen Regime liegt. Hierf{\"u}r kommen mehrere Ursachen in Betracht: Eine {\"U}bersch{\"a}tzung der Hybridisierung durch die numerische Simulation, zu geringe InAs Schichtdicken in der Fertigung oder ein asymmetrisches Verschieben mit nur einem Gate (Kapitel 4.3). Zur Reduktion der Volumenleitf{\"a}higkeit wurden Al-haltigen Schichten am GaSb/InAs {\"U}bergang eingebracht. Die erwartete Widerstandssteigerung konnte in ersten Versuchen nicht gezeigt werde. Die in Kapitel 5 gezeigte optische Manipulation des dominanten Ladungstr{\"a}gertyps der InAs/GaSb-Doppelquantent{\"o}pfe gibt eine zus{\"a}tzliche Kontrollm{\"o}glichkeit im Phasendiagramm. Optische Anregung erm{\"o}glicht den Wechsel der Majorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger von Elektronen zu L{\"o}chern. Dabei wird ein Regime durchlaufen, in dem beide Ladungstr{\"a}ger koexistieren. Dies weist stark auf eine Elektron-Loch-Hybridisierung mit nichttrivialer topologischer Phase hin. Dabei spielen zwei unterschiedliche physikalische Prozesse eine Rolle, die analog eines Frontgates bzw. eines Backgates wirken. Der Frontgate Effekt beruht auf der negativ persistenten Photoleitf{\"a}higkeit, der Backgate Effekt fußt auf der Akkumulation von Elektronen auf der Substratseite. Das hier gezeigte optisch kontrollierte Verschieben der Zust{\"a}nde belegt die Realisation von opto-elektronischem Schalten zwischen unterschiedlichen topologischen Phasen. Dies zeigt die M{\"o}glichkeit einer optischen Kontrolle des Phasendiagramms der topologischen Zust{\"a}nde in GaSb/InAs Doppelquantenfilmen. In Abschnitt 5.1 wird die optische Verstimmung von GaSb/InAs Quantenfilmen gezeigt und erkl{\"a}rt. Sie wird in Abh{\"a}ngigkeit von der Temperatur, der Anregungswellenl{\"a}nge sowie der Anregungsintensit{\"a}t untersucht. Kontrollversuche an Proben mit einem unterschiedlichen Strukturaufbau zeigen, dass das Vorhandensein eines {\"U}bergitters auf der Substratseite der Quantenfilmstruktur essentiell f{\"u}r die Entstehung der Backgate-Wirkung ist (Abschnitt 5.2). Abschließend werden in Abschnitt 5.3 die Erkenntnisse zur optischen Kontrolle zusammengefasst und deren M{\"o}glichkeiten, wie optisch definierte topologischen Phasen-Grenzfl{\"a}chen, diskutiert. Bi2Se3 Nanostrukturen Mit Blick auf die Vorteile eines erh{\"o}hten Oberfl{\"a}che-zu-Volumen Verh{\"a}ltnisses ist die Verwendung von Nanostrukturen f{\"u}r das Anwendungsgebiet der dreidimensionalen topologischen Isolatoren effizient. Mit dem Ziel, diesen Effekt f{\"u}r die Realisation des topologischen Isolators in Bi2Se3 auszunutzen, wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmalig das Wachstum von Bi2Se3 Nanodr{\"a}hten und -flocken mit Molekularstrahlepitaxie realisiert. In Kapitel 6 werden technische und physikalische Grundlagen hierzu erl{\"a}utert (Abschnitt 6.1). Ausgehend von einer Einf{\"u}hrung in dreidimensionale topologische Isolatoren werden die Eigenschaften des topologischen Zustandes in Bi2Se3 gezeigt. Darauf folgen die Kristalleigenschaften von Bi2Se3 sowie die Erkl{\"a}rung des epitaktischen Wachstums von Nanostrukturen mit Molekularstrahlepitaxie. In Abschnitt 6.2 schließt sich die Beschreibung der epitaktischen Herstellung an. Die Kristallstruktur wurde mittels hochaufl{\"o}sender R{\"o}ntgendiffraktometrie und Transmissionselektronenmikroskopie als Bi2Se3 identifiziert. Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen zeigen Nanodr{\"a}hte und Nanoflocken auf mit Gold vorbehandelten bzw. nicht mit Gold vorbehandelten Proben. Der Wachstumsmechanismus f{\"u}r Nanodr{\"a}hte kann nicht zweifelsfrei definiert werden. Das Fehlen von Goldtr{\"o}pfchen an der Drahtspitze legt einen wurzelbasierten Wachstumsmechanismus nahe (Abschnitt 6.3).},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Huggenberger2012,
  author    = {Huggenberger, Alexander},
  title     = {Optimierung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78031},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren. Dazu wurden systematisch die optischen Eigenschaften - insbesondere die Linienbreite und die Feinstrukturaufspaltung der Emission einzelner Quantenpunkte - optimiert. Diese Optimierung erfolgt im Hinblick auf die Verwendung der Quantenpunkte in Lichtquellen zur Realisierung einer Daten{\"u}bertragung, die durch Quantenkryptographie abh{\"o}rsicher verschl{\"u}sselt wird. Ein gekoppeltes Halbleitersystem aus einem Mikroresonator und einem Quantenpunkt kann zur Herstellung von Einzelphotonenquellen oder Quellen verschr{\"a}nkter Photonen verwendet werden. In dieser Arbeit konnten positionierte Quantenpunkte skalierbar in Halbleiter-Mikroresonatoren integriert werden. In(Ga)As-Quantenpunkte auf GaAs sind ein h{\"a}ufig untersuchtes System und k{\"o}nnen heutzutage mit hoher Kristallqualit{\"a}t durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Um die Emission der Quantenpunkte gerichtet erfolgen zu lassen und die Auskoppeleffizienz der Bauteile zu erh{\"o}hen, wurden Mikros{\"a}ulenresonatoren oder photonische Kristallresonatoren eingesetzt. Die Integration in diese Resonatoren erfolgt durch Ausrichtung an Referenzstrukturen, wodurch dieses Verfahren skalierbar. Die Strukturierung der Substrate f{\"u}r die Herstellung von positionierten Quantenpunkten wurde durch optische Lithographie und Elektronenstrahllithographie in Kombination mit unterschiedlichen {\"A}tztechniken erreicht. F{\"u}r den praktischen Einsatz solcher Strukturen wurde ein Kontaktierungsschema f{\"u}r den elektrischen Betrieb entwickelt. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der positionierten Quantenpunkte wurde ein Wachstumsschema verwendet, das aus einer optisch nicht aktiven In(Ga)As-Schicht und einer optisch aktiven Quantenpunktschicht besteht. F{\"u}r die Integration einzelner Quantenpunkte in Halbleiter-Mikroresonatoren wurden positionierte Quantenpunkte auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 200 nm bis zu 10 mum realisiert. Eine wichtige Kenngr{\"o}ße der Emission einzelner Quantenpunkte ist deren Linienbreite. Bei positionierten Quantenpunkten ist diese h{\"a}ufig aufgrund spektraler Diffusion gr{\"o}ßer als bei selbstorganisierten Quantenpunkten. Im Verlauf dieser Arbeit wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze und Strategien zur {\"U}berwindung dieses Effekts verfolgt. Dabei konnte ein minimaler Wert von 25 mueV f{\"u}r die Linienbreite eines positionierten Quantenpunktes auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 2 μm erzielt werden. Die statistische Auswertung vieler Quantenpunktlinien ergab eine mittlere Linienbreite von 133 mueV. Die beiden Ergebnisse zeugen davon, dass diese Quantenpunkte eine hohe optische Qualit{\"a}t besitzen. Die FSS der Emission eines Quantenpunktes sollte f{\"u}r die direkte Erzeugung polarisationsverschr{\"a}nkter Photonen m{\"o}glichst klein sein. Deswegen wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze diskutiert, um die FSS einer m{\"o}glichst großen Zahl von Quantenpunkten systematisch zu reduzieren. Die FSS der Emission von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf (100)-orientiertem Galliumarsenid konnte auf einen minimalen Wert von 9.8 mueV optimiert werden. Ein anderes Konzept zur Herstellung positionierter Quantenpunkte stellt das Wachstum von InAs in ge{\"a}tzten, invertierten Pyramiden in (111)-GaAs dar In (111)- und (211)-In(Ga)As sollte aufgrund der speziellen Symmetrie des Kristalls bzw. der piezoelektrischen Felder die FSS verschwinden. Mit Hilfe von Quantenpunkten auf solchen Hochindex-Substraten konnten FSS von weniger als 5 mueV gemessen werden. Bis zu einem gewissen Grad kann die Emission einzelner Quantenpunkte durch laterale elektrische Felder beeinflusst werden. Besonders die beobachtete Reduzierung der FSS positionierter In(Ga)As-Quantenpunkte auf (100)-orientiertem GaAs von ca. 25 mueV auf 15 mueV durch ein laterales, elektrisches Feld ist viel versprechend f{\"u}r den k{\"u}nftigen Einsatz solcher Quantenpunkte in Quellen f{\"u}r verschr{\"a}nkte Photonen. Durch die Messung der Korrelationsfunktion wurde die zeitliche Korrelation der Emission von Exziton und Biexziton nachgewiesen und das Grundprinzip zum Nachweis eines polarisationsverschr{\"a}nkten Zustandes gezeigt. In Zusammenarbeit mit der Universit{\"a}t Tokyo wurde ein Konzept entwickelt, mit dem k{\"u}nftig Einzelquantenpunktlaser skalierbar durch Kopplung positionierter Quantenpunkte und photonischer Kristallkavit{\"a}ten hergestellt werden k{\"o}nnen. Weiterhin konnte mit Hilfe eines elektrisch kontaktierten Mikros{\"a}ulenresonators bei spektraler Resonanz von Quantenpunktemission und Kavit{\"a}tsmode eine Steigerung der spontanen Emission nachgewiesen werden. Dieses System ließ sich bei geeigneten Anregungsbedingungen auch als Einzelphotonenquelle betreiben, was durch den experimentell bestimmten Wert der Autokorrelationsfunktion f{\"u}r verschwindende Zeitdifferenzen nachgewiesen wurde.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Gerhard2014,
  author    = {Gerhard, Felicitas Irene Veronika},
  title     = {Controlling structural and magnetic properties of epitaxial NiMnSb for application in spin torque devices},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-111690},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {This thesis describes the epitaxial growth of the Half-Heusler alloy NiMnSb by molecular beam epitaxy. Its structural and magnetic properties are controlled by tuning the composition and the resulting small deviation from stoichiometry. The magnetic in-plane anisotropy depends on the Mn concentration of the sample and can be controlled in both strength and orientation. This control of the magnetic anisotropy allows for growing NiMnSb layers of a given thickness and magnetic properties as requested for the design of NiMnSb-based devices. The growth and characterization of NiMnSb-ZnTe-NiMnSb heterostructures is presented - such heterostructures form an all-NiMnSb based spin-valve and are a promising basis for spin torque devices.},
  subject      = {Nickelverbindungen},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Frey2011,
  author    = {Frey, Alexander},
  title     = {Spin-Dependent Tunneling and Heterovalent Heterointerface Effects in Diluted Magnetic II-VI Semiconductor Heterostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78133},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {The contribution of the present thesis consists of three parts. They are centered around investigating certain semiconductor heterointerfaces relevant to spin injection, exploring novel, diluted magnetic single barrier tunneling structures, and further developing diluted magnetic II-VI resonant tunneling diodes.},
  subject      = {Zwei-Sechs-Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Ebel2013,
  author    = {Ebel, Lars Frederik},
  title     = {Molecular Beam Epitaxy and Characterization of Ferromagnetic Bulk and Thin (Ga,Mn)As Layers/Heterostructures},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-83942},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorgelegte Arbeit untersucht den ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As mit seinen komplexen Eigenschaften im Hinblick auf die Optimierung der Materialeigenschaften sehr d{\"u}nner (4 nm) (Ga,Mn)As Schichten, welche mit der Technologie der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wurden. Zuerst werden die strukturellen, ferromagnetischen und elektrischen Eigenschaften von (Ga,Mn)As vorgestellt. Die Einfl{\"u}sse von Punktdefekten, Grenzfl{\"a}chen- und Oberfl{\"a}chen-Effekten auf dicke und d{\"u}nne (Ga,Mn)As Schichten werden mit Hilfe von vereinfachten, selbstkonsistenten Berechnungen der Bandkantenverl{\"a}ufe diskutiert. Der Experimental-Teil ist in drei Teile unterteilt: Der erste Teil untersucht den Einfluss der epitaktischen Wachstumsbedingungen auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von dicken (70 nm) (Ga,Mn)As Schichten. Der zweite Teil f{\"u}hrt ein alternatives, parabolisches Mn-Dotierprofil mit effektiver Schichtdicke von 4 nm ein im Vergleich zu einer gleich d{\"u}nnen Schicht mit homogenem Mn-Dotierprofil. Es konnten einerseits verbesserte Eigenschaften dieser parabolischen Schicht erreicht werden, anderseits sind die magnetischen und elektrischen Eigenschaften vergleichbar zu dicken (Ga,Mn)As Schichten mit gleichem Mn-Gehalt von 4\%. MBE Wachstumsbedingungen f{\"u}r (Ga,Mn)As Schichten mit parabolischem Mn-Dotierprofil und verringertem nominellem Mn-Gehalt von 2.5\% wurden ebenfalls untersucht. Ein schmales Wachstumsfenster wurde hierbei ermittelt, in dem die Tieftemperatur-Eigenschaften verbessert sind. Der letzte Teil der Arbeit pr{\"a}sentiert eine Anwendung der magnetischen Anisotropiekontrolle einer dicken (Ga,Mn)As Schicht.},
  subject      = {Molekularstrahlepitaxie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Bisping2010,
  author    = {Bisping, Dirk},
  title     = {Wachstum und Charakterisierung von GaInNAs-basierenden Halbleiterstrukturen f{\"u}r Laseranwendungen in der optischen Telekommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-77538},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit Molekularstrahlepitaxie GaInNAs-Strukturen f{\"u}r m{\"o}gliche Anwendungen in der Telekommunikation als GaAs-basierende Alternative f{\"u}r herk{\"o}mmliche Laser auf InP-Substrat hergestellt und untersucht. Zun{\"a}chst wurden durch Optimierung der Substrattemperaturmessung und RF-Plasmaquelle die Voraussetzungen f{\"u}r gutes GaInNAs-Wachstum geschaffen. Thermisches Ausheilen ist essentiell, um eine gute optische Qualit{\"a}t von GaInNAs-Strukturen zu erzielen. Man beobachtet einen signifikanten Einfluss von Ausheildauer und -temperatur. Exzessives Ausheilen bei zu hohen Temperaturen bzw. zu langen Zeiten f{\"u}hrt, neben einer ebenso unerw{\"u}nschten Blauverschiebung der Emission, wiederum zu einer Degradation der optischen Qualit{\"a}t, die sich in einer deutlichen Reduktion der Photolumineszenz(PL)-Intensit{\"a}t {\"a}ußert. GaInNAs-Quantenfilm(QF)-Laser mit Emission um 1240 nm mit m{\"o}glicher Anwendung als Pumplaser f{\"u}r Ramanverst{\"a}rker wurden hergestellt und charakterisiert. Durch eine Optimierung des in-situ-Ausheilens dieser Laserstrukturen konnten Laser mit sehr niedrigen Schwellenstromdichten von deutlich unter 200 A/cm^2 hergestellt werden. F{\"u}r eine m{\"o}glichst hohe Ausgangsleistung wurde der Wirkungsgrad der Bauteile durch eine Optimierung der internen Verluste erh{\"o}ht. Eine Reduktion der internen Verluste konnte durch eine Anpassung des Dotierprofils und die Verwendung von sogenannten Large-Optical-Cavities (LOCs) erreicht werden. Mit Hilfe des LOC-Designs konnten sehr niedrige interne Verluste von nur 0,5 1/cm bei einer internen Quanteneffizienz von nahezu 80 \% erreicht werden. Mit optimierten Strukturen wurde stabiler Dauerstrichbetrieb bei Ausgangsleistungen von mehreren Watt {\"u}ber 1000~h ohne sichtbare Degradation demonstriert. Mit auf dem LOC-Design basierenden Lasern konnte schließlich eine sehr hohe Ausgangsleistung von ca. 9 W gezeigt werden. Anschließend wurden Untersuchungen zu Quantenpunkten (QPen) im Materialsystem GaInNAs vorgestellt. Mit steigendem Stickstoffgehalt beobachtet man eine Rotverschiebung der Emission bis auf 1,43 µm, allerdings gleichzeitig eine deutliche Degradation der optischen Qualit{\"a}t. Eine Untersuchung der QP-Morphologie ergibt eine Reduktion der Homogenit{\"a}t der QP-Gr{\"o}ßenverteilung, die sich im Auftreten zweier unterschiedlich großer QP-Ensembles {\"a}ußert. Um diese Degradation der QPe zu vermeiden, wurde weiterhin auf den N-Einbau in den QPen verzichtet. Wider Erwarten f{\"u}hrt der Verzicht auf N in den QPen nicht zu einer Blauverschiebung der Emission. Dieses Resultat konnte auf die ver{\"a}nderte QP-Morphologie zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Durch eine Erh{\"o}hung des N-Gehaltes im die QP {\"u}berwachsenden QF wurde eine weitere deutliche Rotverschiebung der Emission erreicht. So konnte PL-Emission bei Raumtemperatur mit einem Emissionsmaximum bei 1600 nm demonstriert werden. Weiterhin wurden GaInNAs-QF-Strukturen f{\"u}r Laser im Wellenl{\"a}ngenbereich um 1550 nm untersucht. Da das Wachstum hier auf Grund des deutlich h{\"o}heren, notwendigen N-Gehaltes wesentlich schwieriger wird, erfolgte zun{\"a}chst eine detaillierte Untersuchung der wesentlichen Wachstumsparameter. Hierbei ist es essentiell, auch das Ausheilverhalten der jeweiligen Strukturen genau zu betrachten. Bei einer Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur auf GaInNAs-Teststrukturen wurden signifikante Unterschiede auch bei nur sehr geringen {\"A}nderungen in der Substrattemperatur von nur 10 °C festgestellt. Die beobachteten Effekte wurden vor dem Hintergrund des Modells der QP-{\"a}hnlichen Emitter diskutiert. Eine Variation des Arsen-Flusses zeigte einen deutlichen Einfluss auf die PL-Emission und vor allem auf das Ausheilverhalten. Das Ausheilverhalten l{\"a}sst sich durch eine Anpassung des Arsen-Flusses maßgeschneidert anpassen. W{\"a}hrend dem {\"U}berwachsen der aktiven Schicht mit Mantel- und Kontaktschicht kann es bereits zu einem {\"U}berausheilen der Strukturen kommen. Es wurden Laser mit niedrigen Schwellenstromdichten um 1 kA/cm^2 bis zu einer Wellenl{\"a}nge von 1500 nm hergestellt. F{\"u}r h{\"o}here Wellenl{\"a}ngen steigt die Schwellenstromdichte in den Bereich von 2 bis 3 kA/cm^2. Maximal wurde Laseremission bei {\"u}ber 1600 nm erreicht. Bei der Untersuchung der bei 1600 nm emittierenden Laserdioden wurde eine Verbreiterung der Laseremission zur hochenergetischen Seite auf bis zu 150 nm Bandbreite bei steigendem Betriebsstrom beobachtet. Dieser Effekt kann mit Hilfe des Modells der QP-{\"a}hnlichen Emitter verstanden werden. Unter Ausnutzung dieses Effekts wurden auf dem selben epitaktischen Material monomodige Distributed-Feedback(DFB)-Laser {\"u}ber einen Wellenl{\"a}ngenbereich von ca. 1500 nm bis 1600 nm gezeigt. Auf Basis der zuvor vorgestellten langwelligen Laserstrukturen mit niedrigen Schwellenstromdichten wurde erstmals Dauerstrichbetrieb von monomodigen DFB-Lasern im Bereich um 1500 nm und von multimodigen Stegwellenleiter-Lasern {\"u}ber 1500 nm im Materialsystems GaInNAs gezeigt.},
  subject      = {Halbleiterlaser},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Bass2011,
  author    = {Baß, Utz},
  title     = {Analysis of MBE-grown II-VI Hetero-Interfaces and Quantum-Dots by Raman Spectroscopy},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-73413},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {The material system of interest in this thesis are II-VI-semiconductors. The first part of this thesis focuses on the formation of self-assembled CdSe-based quantum dots (QD) on ZnSe. The lattice constants of ZnSe and CdSe differ as much as about 7\\% and therefore a CdSe layer grown on top of ZnSe experiences a huge strain. The aspired strain relief constitutes in the self-assembly of QDs (i.e. a roughened layer structure). Additionally, this QD layer is intermixed with Zn as this is also a possibility to decrease the strain in the layer. For CdSe on ZnSe, in Molecular Beam Epitaxy (MBE), various QD growth procedures were analysed with respect to the resulting Cd-content of the non-stoichiometric ternary (Zn,Cd)Se. The evaluation was performed by Raman Spectroscopy as the phonon frequency depends on the Cd-content. The second part of the thesis emphasis on the interface properties of n-ZnSe on n-GaAs. Different growth start procedures of the ZnSe epilayer may lead to different interface configurations with characteristic band-offsets and carrier depletion layer widths. The analysis is mainly focused on the individual depletion layer widths in the GaAs and ZnSe. This non-destructive analysis is performed by evaluating the Raman signal which comprises of phonon scattering from the depleted regions and coupled plasmon-phonon scattering from regions with free carriers.},
  subject      = {Zwei-Sechs-Halbleiter},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Ames2015,
  author    = {Ames, Christopher},
  title     = {Molecular Beam Epitaxy of 2D and 3D HgTe, a Topological Insulator},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-151136},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In the present thesis the MBE growth and sample characterization of HgTe structures is investigated and discussed. Due to the first experimental discovery of the quantum Spin Hall effect (QSHE) in HgTe quantum wells, this material system attains a huge interest in the spintronics society. Because of the long history of growing Hg-based heterostructures here at the Experimentelle Physik III in W{\"u}rzburg, there are very good requirements to analyze this material system more precisely and in new directions. Since in former days only doped HgTe quantum wells were grown, this thesis deals with the MBE growth in the (001) direction of undoped HgTe quantum wells, surface located quantum wells and three dimensional bulk layers. All Hg-based layers were grown on CdTe substrates which generate strain in the layer stack and provide therefore new physical effects. In the same time, the (001) CdTe growth was investigated on n-doped (001) GaAs:Si because the Japanese supplier of CdTe substrates had a supply bottleneck due to the Tohoku earthquake and its aftermath in 2011. After a short introduction of the material system, the experimental techniques were demonstrated and explained explicitly. After that, the experimental part of this thesis is displayed. So, the investigation of the (001) CdTe growth on (001) GaAs:Si is discussed in chapter 4. Firstly, the surface preparation of GaAs:Si by oxide desorption is explored and analyzed. Here, rapid thermal desorption of the GaAs oxide with following cool down in Zn atmosphere provides the best results for the CdTe due to small holes at the surface, while e.g. an atomic flat GaAs buffer deteriorates the CdTe growth quality. The following ZnTe layer supplies the (001) growth direction of the CdTe and exhibits best end results of the CdTe for 30 seconds growth time at a flux ratio of Zn/Te ~ 1/1.2. Without this ZnTe layer, CdTe will grow in the (111) direction. However, the main investigation is here the optimization of the MBE growth of CdTe. The substrate temperature, Cd/Te flux ratio and the growth time has to be adjusted systematically. Therefore, a complex growth process is developed and established. This optimized CdTe growth process results in a RMS roughness of around 2.5 nm and a FWHM value of the HRXRD w-scan of 150 arcsec. Compared to the literature, there is no lower FWHM value traceable for this growth direction. Furthermore, etch pit density measurements show that the surface crystallinity is matchable with the commercial CdTe substrates (around 1x10^4 cm^(-2)). However, this whole process is not completely perfect and offers still room for improvements. The growth of undoped HgTe quantum wells was also a new direction in research in contrast to the previous n-doped grown HgTe quantum wells. Here in chapter 5, the goal of very low carrier densities was achieved and therefore it is now possible to do transport experiments in the n - and p - region by tuning the gate voltage. To achieve this high sample quality, very precise growth of symmetric HgTe QWs and their HRXRD characterization is examined. Here, the quantum well thickness can now determined accurate to under 0.3 nm. Furthermore, the transport analysis of different quantum well thicknesses shows that the carrier density and mobility increase with rising HgTe layer thickness. However, it is found out that the band gap of the HgTe QW closes indirectly at a thickness of 11.6 nm. This is caused by the tensile strained growth on CdTe substrates. Moreover, surface quantum wells are studied. These quantum wells exhibit no or a very thin HgCdTe cap. Though, oxidization and contamination of the surface reduces here the carrier mobility immensely and a HgCdTe layer of around 5 nm provides the pleasing results for transport experiments with superconductors connected to the topological insulator [119]. A completely new achievement is the realization of MBE growth of HgTe quantum wells on CdTe/GaAs:Si substrates. This is attended by the optimization of the CdTe growth on GaAs:Si. It exposes that HgTe quantum wells grown in-situ on optimized CdTe/GaAs:Si show very nice transport data with clear Hall plateaus, SdH oscillations, low carrier densities and carrier mobilities up to 500 000 cm^2/Vs. Furthermore, a new oxide etching process is developed and analyzed which should serve as an alternative to the standard HCl process which generates volcano defects at some time. However, during the testing time the result does not differ in Nomarski, HRXRD, AFM and transport measurements. Here, long-time tests or etching and mounting in nitrogen atmosphere may provide new elaborate results. The main focus of this thesis is on the MBE growth and standard characterization of HgTe bulk layers and is discussed in chapter 6. Due to the tensile strained growth on lattice mismatched CdTe, HgTe bulk opens up a band gap of around 22 meV at the G-point and exhibits therefore its topological surface states. The analysis of surface condition, roughness, crystalline quality, carrier density and mobility via Nomarski, AFM, XPS, HRXRD and transport measurements is therefore included in this work. Layer thickness dependence of carrier density and mobility is identified for bulk layer grown directly on CdTe substrates. So, there is no clear correlation visible between HgTe layer thickness and carrier density or mobility. So, the carrier density is almost constant around 1x10^11 cm^(-2) at 0 V gate voltage. The carrier mobility of these bulk samples however scatters between 5 000 and 60 000 cm^2/Vs almost randomly. Further experiments should be made for a clearer understanding and therefore the avoidance of unusable bad samples.But, other topological insulator materials show much higher carrier densities and lower mobility values. For example, Bi2Se3 exhibits just density values around 1019 cm^(-2) and mobility values clearly below 5000 cm2/Vs. The carrier density however depends much on lithography and surface treatment after growth. Furthermore, the relaxation behavior and critical thickness of HgTe grown on CdTe is determined and is in very good agreement with theoretical prediction (d_c = 155 nm). The embedding of the HgTe bulk layer between HgCdTe layers created a further huge improvement. Similar to the quantum well structures the carrier mobility increases immensely while the carrier density levels at around 1x10^11 cm^(-2) at 0 V gate voltage as well. Additionally, the relaxation behavior and critical thickness of these barrier layers has to be determined. HgCdTe grown on commercial CdTe shows a behavior as predicted except the critical thickness which is slightly higher than expected (d_c = 850 nm). Otherwise, the relaxation of HgCdTe grown on CdTe/GaAs:Si occurs in two parts. The layer is fully strained up to 250 nm. Between 250 nm and 725 nm the HgCdTe film starts to relax randomly up to 10 \%. The relaxation behavior for thicknesses larger than 725 nm occurs than linearly to the inverse layer thickness. A explanation is given due to rough interface conditions and crystalline defects of the CdTe/GaAs:Si compared to the commercial CdTe substrate. HRXRD and AFM data support this statement. Another point is that the HgCdTe barriers protect the active HgTe layer and because of the high carrier mobilities the Hall measurements provide new transport data which have to be interpreted more in detail in the future. In addition, HgTe bulk samples show very interesting transport data by gating the sample from the top and the back. It is now possible to manipulate the carrier densities of the top and bottom surface states almost separately. The back gate consisting of the n-doped GaAs substrate and the thick insulating CdTe buffer can tune the carrier density for Delta(n) ~ 3x10^11 cm^(-2). This is sufficient to tune the Fermi energy from the p-type into the n-type region [138]. In this thesis it is shown that strained HgTe bulk layers exhibit superior transport data by embedding between HgCdTe barrier layers. The n-doped GaAs can here serve as a back gate. Furthermore, MBE growth of high crystalline, undoped HgTe quantum wells shows also new and extended transport output. Finally, it is notable that due to the investigated CdTe growth on GaAs the Hg-based heterostructure MBE growth is partially independent from commercial suppliers.},
  subject      = {Quecksilbertellurid},
  language  = {en}
}