TY  - THES
A1  - Richter, Georg
T1  - Nachweis der elektrischen Spin-Injektion in II-VI-Halbleiter mittels Messung des elektrischen Widerstandes
T1  - Experimental proof of electrical spin injection into II-VI semiconductors by measuring the electric resistance
N2  - Die bisherigen Ergebnisse der elektrischen Spininjektion in Halbleiter im diffusivem Regime werden mit dem Modell von Schmidt et. al gut beschrieben. Eine Folgerung aus diesem Modell ist, dass n-dotierte, verdünnte magnetische Halbleiter ("diluted magnetic semiconductors", DMS) als Injektor-Materialien für die elektrische Spininjektion in Halbleiter gut geeignet sind. Im Jahr 1999 wurde darüber hinaus die elektrische Injektion von einem DMS in einem nicht magnetisch dotierten Halbleiter ("non magnetic semiconductors", NMS) mit optischen Mitteln nachgewiesen. Die elektrischen Eigenschaften des Metall-Halbleiter-Kontaktes vom Materialsystem n-(Be,Zn,Mn)Se - n-(Be,Zn)Se wurden untersucht und optimiert, wobei spezifische Kontakwiderstände von bis zu ca. 2 10^-3 Ohm cm^2 bei 4 K erreicht wurden. Der Kontakt zwischen n-(Be,Zn,Mn)Se und n-(Be,Zn)Se ist unkritisch, weil der auftretende Leitungsband-Offset lediglich 40 meV beträgt. Die Spininjektionsmessungen wurden an Bauteilen mit einem adaptiertem Design der Transmission-Line Messungen ("TLM") durchgeführt. Bei diesem Materialsystem wurde am Gesamtbauteil ein positiver Magnetowiderstand von bis zu 25 % detektiert. Da sowohl der intrinsische Magnetowiderstand der einzelnen Halbleiterschichten negativ bzw. konstant war, als auch kein besonderes Magnetowiderstandsverhalten an der Metall-Halbleiter-Grenzschicht festgestellt werden konnte, kann dieser Magnetowiderstand als erster elektrischer Nachweis einer Spininjektion in einen Halbleiter angesehen werden. Die bei geringeren Temperaturen (300 mK und 2 K) bereits bei kleineren B-Feldern eintretende Sättigung des Widerstandes ist darüberhinaus mit der Temparaturabhängigkeit der Zeeman-Aufspaltung des DMS in Einklang zu bringen. Eine systematische Untersuchung dieses "Large Magnetoresistance" Effektes von der Dotierung der beteiligten Halbleiter zeigt hingegen ein komplexeres Bild auf. Es scheint ein optimales Dotierregime, sowohl für den DMS als auch für den NMS zu geben. Höhere oder geringere Dotierung reduzieren die relative Größe des positiven Magnetowiderstandes. Auch bei stark unterschiedlich dotierten DMS- und NMS-Schichten tritt eine (partielle) Unterdrückung des Magnetowiderstandes auf, in Übereinstimmung mit dem Modell. Dies lässt den Schluss zu, dass neben einer, der Spininjektion abträglichen, großen Differenz der Ladungsträgerdichten, evtl. auch die Bandstrukturen der beteiligten Halbleiter für die Spininjektionseffekte von Bedeutung ist. Um die elektrische Spininjektion auch in der technologisch wichtigen Familie der III/V Halbleiter etablieren zu können, wurde die elektrische Spininjektion von n-(Cd,Mn)Se in n-InAs untersucht. Basierend auf den Prozessschritten "Elektronenstrahlbelichtung" und "nasschemisches Ätzen" wurde eine Ätztechnologie entwickelt und optimiert, bei der die Ätzraten über die zuvor durchgeführte EBL kontrollierbar eingestellt werden können. Mesas mit Breiten von bis zu 12 nm konnten damit hergestellt werden. Untersuchungen zur elektrischen Spininjektion von (Cd,Mn)Se in InAs wurden mit Stromtransport senkrecht zur Schichtstruktur durchgeführt. Erste Messungen deuten bei niedrigen Magnetfeldern (B< 1,5 T) auf eine ähnliche Abhängigkeit des Gesamtwiderstand vom externen Feld hin wie im Materialsystem (Be,Zn,Mn)Se - (Be,Zn)Se. Allerdings tritt bei höheren Feldern ein stark negativer Magnetowiderstand des Gesamtbauteils auf, der qualitativ einen ähnlichen Verlauf zeigt wie die (Cd,Mn)Se-Schicht allein. Da die I/U Kennlininen des Gesamtbauteils Nichtlinearitäten aufweisen, können Tunneleffekte an einer oder mehrerer Barrieren eine wichtige Rolle spielen. Ob durch diese Tunneleffekte eine elektrische Spinijektion induziert wird, kann noch nicht abschließend geklärt werden. Wünschenswert ist daher eine weitere Charakterisierung der Einzelschichten. Ein weiteres Ziel ist, in Verbindung mit den oben angeführten technologischen Vorbereitungen, eine durch Nanostrukturierung ermöglichte, delokale Messung des Magnetowiderstand. Durch dieses Messverfahren könnten etwaige Tunnel-Effekte an der Metall-DMS Schicht zwanglos von denen an der DMS-NMS Grenzschicht getrennt werden.
N2  - This work deals with electrical spin injection in the diffusive regime. Results published up to now can be satisfactorily explained by the model of Schmidt et. al. As a consequence of the model, n-doped diluted magnetic semiconductors (DMS) are expected to be particularly suitable as injectors for electrical spin injection into non magnetic semiconductors (NMS). Furthermore electrical spin injection from a DMS into a NMS was confirmed by optical means in 1999. The electrical properties of the metal-semiconductor contact of the n doped (Be,Zn,Mn)Se and (Be,Zn)Se were investigated and optimized. Specific contact resistance values down to approx. 2 10^{-3} Ohm cm^2 could be reached at 4 K. The resistance at the interface between n-(Be,Zn,Mn)Se and n-(Be,Zn)Se can be neglected due to a small conduction band offset of only 40 meV. For spin injection experiments, devices with an adapted tranmission line design were fabricated. A relative magnetoresistance of the device of up to +25 % was achieved. In contrast, the intrinsic magnetoresistance of the individual semiconductor layers was negative or constant. In addition, no magnetoresistance at the metal semiconductor interface could be observed. Hence, the magnetoresistance of the device can be regarded as the first electrical proof of spin injection into a semiconductor. At low temperatures (300 mK and 2 K) saturation of the magnetoesistance takes place at lower fields. This can be assigned to the temperature dependence of the Zeeman-splitting in the DMS. A systematic study of this "Large Magnetoresistance" effect yields a complex dependency on the doping level. It appears that an optimal doping regime exists, both for the DMS and the NMS layer. Departures from these values reduce the relative magnitude of the magnetoresistance. Moreover very different doping levels of the DMS and NMS Layers result in a (partial) suppression of the magnetoresistance, consistent with the model. Thus, not only large differences of the doping levels, but also the band structures of the involved layers may have an impact on electrical spin injection. In order to establish electrical spin injection in III/V semiconductors the material system n-(Cd,Mn)Se / n-InAs was investigated. A new etching technology was developed for InAs-(Al,Ga)Sb, combining the steps of "electron beam exposure" and "wet chemical etching". This combination leads to etch rates which can be reproducibly adjusted by prior electron beam exposure. Mesas with widths down to 12 nm were achieved. Experiments for electrical spin injection from (Cd,Mn)Se into InAs were performed with current direction perpendicular to the layers. First measurements up to moderate fields (B< 1,5 T) indicated a dependency of the resistance on the external field similiar to that of the material (Be,Zn,Mn)Se - (Be,Zn)Se. Indeed, at higher fields the device exhibits a large negative magnetoresistance comparable to the single (Cd,Mn)Se layer. The I/V curves of the device are nonlinear, so tunneling effects in one or several of the interfaces may play a major role. It is not clear yet if these effects induce an electrical spin injection. Hence, further electrical characterization of the involved layers are called for. Furthermore a non-local measurement of the magnetoresistance could help in distinguishing between tunneling effects at the metal semiconductor interface and those between DMS and NMS.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Elektronenspin
KW  - Diffusionsverfahren <Halbleitertechnologie>
KW  - Spin-Injektion
KW  - Halbleiter
KW  - Magnetowiderstand
KW  - Spin-Polarisation
KW  - spin injection
KW  - semiconductor
KW  - magnetoresistance
KW  - spin polarization
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10911
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schumacher, Claus
T1  - Herstellung und Charakterisierung von Nanostrukturen auf der Basis von II-VI-Materialien mittels der Schattenmaskentechnologie
T1  - Fabrication and characterisation of nano structures based on II-VI-materials utilising the shadow mask technology
N2  - Warum eigentlich Schattenmasken als neues alternatives Verfahren zur lateralen Strukturierung? Alle bislang üblichen Verfahren zur Herstellung lateral begrenzter Halbleiter-Kristalle strukturieren die zuvor epitaktisch flächig aufgewachsenen Schichten nachträglich. Hierdurch können Probleme entstehen. Etwa erzeugen nach einem nasschemischen Ätzprozess freistehende Quantentröge im Randbereich Oberflächenzustände, die zu nicht strahlender Rekombination führen können und daher die Lichtausbeute reduzieren. Der Prozess des erneuten Überwachsens solcher nachträglich geätzter 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 Kontrollmöglichkeit der Strukturgröße oder sind für 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 während des Wachstums von selbst zuspitzt. Die Größe der Masken-Apertur kann dadurch in einer Größenordnung bleiben, wie sie durch ein ultra-violett optisch lithographisches Verfahren hergestellt werden kann. Durch die Maske wächst dennoch, unterstützt 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 beträgt. Da dieses Verfahren erstmals zur Herstellung von II-VI-Halbleiter-Schichten etabliert wurde, konnte auf keinerlei Vorarbeiten zurückgegriffen werden. Vor der Herstellung geeigneter Schattenmasken mussten zunächst geeignete Belichtungs-Masken für die optische Lithographie entworfen werden, bevor die Ätztechniken zur Herstellung der Schattenmasken selbst optimiert werden konnten. Am Ende der Schattenmaskenentwicklung stand ein Verfahren zur Präparation einer verlässlichen Startoberfläche für die anschließende II-VI-Epitaxie, ohne die ein reproduzierbares Wachstum durch die Schattenmaske nicht möglich ist. Nachdem die technologische Seite abgearbeitet war, mussten anhand geeigneter Epitaxieexperimente die Einflüsse durch die geänderten Wachstumsbedingungen erforscht werden. Insbesondere spielen beim Wachstum durch Schattenmasken Oberflächeneffekte wie Diffusion oder die Orientierung der Masken-Apertur bzgl. der Kristallrichtung eine wesentliche Rolle. Für 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 Maskenöffnung entlang der [1-10]-Kristallrichtung orientiert sein sollte. Entlang dieser Richtung sind die Se-Dimere einer Se-reich rekonstruierten Oberfläche orientiert und somit verläuft die Vorzugsdiffusionsrichtung senkrecht zum Draht. Hierdurch können diffusionsgestützt schärfer definierte Flanken des Drahtes wachsen, als bei einer um 90° gedrehten Geometrie. Eigentlich soll nicht nur eine binäre 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 Röntgenphotonen-Spektren heraus, dass Cadmium in einem epitaktisch gewachsenen Draht stärker als andere Spezies auf der Wachstumsoberfläche diffundiert. Eine kontrollierte Deposition eines ZnCdSe-Quantentroges ist nicht möglich. Um Diffusionseffekte zu vermeiden kann statt eines ternären Troges ein binärer in eine nun quaternäre 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 müssen auch Aussagen über die strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Strukturen getroffen werden. Hierzu wurden die mittels eines ,,Lift-Off''-Prozesses nun freistehenden Drahtstrukturen einer Röntgenstrukturanalyse 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 müsste dies jedoch für 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 mögliche Erklärung hierfür ist die zylinderförmige ,,Verbiegung'' der Atomebenen im Realraum und somit der Netzebenen im reziproken Raum. Die Überlegungen führen somit auf eine zusätzlich elastische anstelle auschließlich plastischen Relaxation des Kristalls. Um eine solche These erhärten zu können 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 eingeprägte Verspannungsenergie elastisch abbauen. Die Fouriertransformierte des Realraumbildes des elastisch relaxierten Drahtes lässt sich direkt mit den reziproken Gitterkarten vergleichen. Mittels dieser Simulation konnte die vertikale Verschiebung des Schichtreflexes unmittelbar den zylindrisch ,,verbogenen'' Kristallebenen zugeordnet werden. Ferner ermöglichen 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 Wölbung der Drahtflanke entstehen. Diese diffusen Streifen lassen sich in den in dieser Arbeit gewachsenen Drähten 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 kohärent und bieten entsprechend keine definierte Abbruchbedingung der Fouriertransformation.
N2  - What is the motivation for the establishment of an alternative technique for lateral structuring? Till date, for definition of semiconductor nano structures, the established technology relies on the post-growth, ex-situ structuring of layer samples. The processes involved in this technology may cause a number of problems. For instance, wet chemical etching of quantum wires generate surface states which result in non radiative recombination of carriers and hence reduce the optical efficiency. Secondly, the process of overgrowth of such etched structures is not well controlled so far. Further alternative techniques like self organised growth of quantum dots or in-situ cleaved edge overgrowth either do not provide a satisfying size control or are too laborious for them to be industrially practicable. Thus, efforts were directed towards the use of shadow mask technique, a process well established for the fabrication of III-V n-i-p-i structures. These structures exhibit the interesting effect of an acuminating crystal during growth. A standard optical lithography process which achieves mask apertures down to 300~nm is sufficient: Driven by the effect of shadow and self organisation, the structure growing within the growth cavity has nano scale dimension at its tip. In the course of the work we succeeded, for the first time, to fabricate a ZnSe wire structure with a tip width of only 25nm. Since this technique was applied to the II-VI semiconductors for the first time, no relevant literature was available for the the preparatory work. Prior to the fabrication of suitable shadow masks, it is required to (a) design lithographic masks and (b) establish appropriate etching procedures. Additionally, the procedure requires the preparation of a reliable III-V surface for the subsequent II-VI growth. After successful implementation of the techniques, suitable experiments were developed which enabled the investigation of the growth conditions for the growth within a growth cavity. In particular, surface effects, like diffusion or the orientation of the mask aperture with respect to the symmetry directions of the crystal, play an considerable role. For the samples dicussed in this work, an alignment of the effusion cells was performed such that, group II and VI molecular beams impinged on the substrate at equal incident angles with respect to the surface normal. In this geometry, it was found that the highest lateral precision is achieved with mask apertures parallel to the [1-10] crystal direction. The selenium dimers are oriented along this direction and hence the main diffusion occures perpendicular to the wire. Hence the edges of the forming wire are more pronounced in this orientation. Originally, not only binary but also ternary quantum structures, for instance ZnCdSe quantum wells embedded into ZnSe barriers, were planned. Low temperature PL and EDAX experiments revealed that the cadmium diffusion coefficient is much larger than those of zinc and selenium. Therefore, a homogeneous cadmium distribution inside the ternary quantum well alloy, could not be achieved. To overcome this problem of segregation, a binary well can be embedded within a quaternary barrier. This approach was successfully pursued in a parallel endeavour. When a novel technique for fabrication of semiconductor structures is established, it is indespensable to provide evidence of high structural quality of the grown crystals. Therefore, the free standing wire structures were probed by high resolution x-ray diffraction analysis after the removal of the mask (lift-off process). The reciprocal space maps acquired in these experiments exhibit that the layer reflection does not lie on the line of relaxation only when the plane of diffraction is aligned perpendicular to the wire. Considering only plastic relaxation of the lattice, a deviation from the line of relaxation should occur for neither parallel nor perpendicular orientation. The layer reflection has moved towards the substrate reflection. The distance of lattice planes has therefore decreased. One possible explanation for this is a cylindrically shaped ''bending'' of atom planes in real space and consequentially of the lattice planes in reciprocal space. In conclusion, an additional elastic, instead of solely plastic relaxation, of the crystal has to be considered. To substantiate such a thesis, an atomic model was developed. The geometry of the modelled wire structures was choosen, based on the SEM and AFM images. The strain incorporated into the modelled crystal was relaxed by means of a Monte Carlo algorithm. The fourier transform of the real space image is related to the reciprocal space map directly. Based one this simulations, the vertically displacement of the layer reflection can be attributed to cylindrically bending of the lattice planes. Furthermore, these simulations enabled a qualitative interpretation of the diffractograms of the shadow masks themselves. In the course of this work, diffraction measurements were carried out on the III-V shadow masks by H.R. Ress. Apart from the vertical displacement of the AlGaAs layer reflection they were found to exhibit a characteristic cross-shaped diffuse reflection surrounding the layer reflection. This effect was not understood until now. The simulations clarified these features as due to a convex curvature of the wire's edges. Due to the low scattering volume of the II-VI wire structures fabricated in this work, these diffuse intensity is not observeable. Additionally, the fabrication technique itself brings in a roughness of the mask's shadow edges of roughly 150~nm, which in turn affects the roughness of wire structure. Hence the bounding facets of the wire do not scatter coherently and hence no defined termination condiction of the fourier transform is defined.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Nanostruktur
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Fernsehmaske
KW  - Schattenmaske
KW  - Halbleiter
KW  - MBE
KW  - Quantendraht
KW  - Nanostruktur
KW  - shadow mask
KW  - semiconductor
KW  - mbe
KW  - quantum wire
KW  - nano structure
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8754
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagner, Joachim
T1  - Optische Charakterisierung von II-VI-Halbleiter-Oberflächen in Kombination mit First-Principles-Rechnungen
T1  - Optical Characterisation of II-VI Semiconductor Surfaces in Combination with First Principles Calculations
N2  - In dieser Arbeit sind Methoden der optischen Spektroskopie, insbesondere die Ramanspektroskopie (RS) und die Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS), angewandt worden, um die Oberflächen von II-VI Halbleitern zu charakterisieren. Für die experimentellen Untersuchungen wurde eine eigens für diesen Zweck entwickelte UHV-Optikkammer benutzt. Diese einzigartige Möglichkeit, II-VI Halbleiterproben aus einer state-of-the-art MBE-Anlage mit einer UHV-Optikanlage zu kombinieren hat gezeigt, dass optische Spektroskopie sehr gut dafür geeignet ist, strukturelle Eigenschaften, z.B. Rekonstruktionen, und chemische Bindungen an Oberflächen, sowie die damit verbundene Schwingungsdynamik zu analysieren. Neben den experimentellen Arbeiten wurden u. a. first principles Rechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie im Rahmen der Lokalen-Dichte-Approximation durchgeführt. Damit konnten für die Oberflächen einerseits ihre geometrischen Eigenschaften, d.h die atomare Anordnung der Oberflächenatome, und andererseits auch ihre Dynamik, d.h. die Schwingungsfrequenzen und die Auslenkungsmuster der an der Rekonstruktion beteiligten Atome der Oberfläche und der oberflächennahen Schichten, im Rahmen der Frozen-Phonon-Näherung bestimmt werden. Die Kombination von experimenteller und theoretischer Vibrationsbestimmung von Oberflächen bietet also, neben den klassischen Oberflächen-Analysemethoden wie RHEED, LEED, XPS, Auger und SXRD, ein zusätzliches Werkzeug zur Charakterisierung von Oberflächen. Da die Frozen-Phonon-Näherung nicht elementarer Bestandteil des hier benutzten DFT-Programmcodes fhi96md ist, wurde diese Erweiterung im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Die theoretische Berechnung von Schwingungsfrequenzen mit dynamischen Matrizen ist in einem Unterkapitel dargestellt. Die so berechneten Schwingungsfrequenzen für verschiedene Oberflächen-Rekonstruktionen konnten erfolgreich am Beispiel der reinen BeTe(100)-Oberfläche mit den experimentell mit der UHV-Ramanspektroskopie beobachteten Frequenzen verglichen werden. So gelang erstmalig die optische identifizierung von rekonstruktionsinduzierten Eigenschwingungen einer Oberfläche. Nach detaillierter Kenntnis der BeTe(100)-Oberfläche wurde die Ramanspektroskopie als Sonde benutzt, um die Entwicklung der BeTe-Oberfläche bei unterschiedlichen Behandlungen (Modifikation) zu verfolgen. Dabei dienten die früheren Ergebnisse als Referenzpunkte, um die modifizierten Spektren zu erklären. Zusätzlich wurde ein Konzept zur Passivierung der Te-reichen BeTe(100)-Oberfläche entwickelt, um diese Proben ohne einen technisch aufwendigen UHV-Transportbehälter über grössere Entfernungen transportieren zu können (z.B. zu Experimenten an einem Synchrotron). Mit der RAS wurden auch die Oberflächen von weiteren Gruppe II-Telluriden, nämlich die Te-reiche (2x1) CdTe(100)-Oberfläche, die Te-reiche (2x1) MnTe(100)-Oberfläche und die Hg-reiche c(2x2) HgTe(100)-Oberfläche untersucht. Schließlich wurde der Wachstumsstart von CdSe auf der BeTe(100)-Oberfläche im Bereich weniger Monolagen (1-5 ML) CdSe analysiert, wobei die hohe Empfindlichkeit der Ramanspektroskopie bereits den Nachweis einer Monolage CdSe erlaubte.
N2  - In this thesis optical spectroscopy, especially Raman spectroscopy (RS) and reflection anisotropy spectroscopy (RAS), was used for characterisation of II-VI-semiconductor surfaces. For the experimental studies a specially designed UHV-optical chamber was applied. The unique combination of a state of the art molecular beam epitaxy (MBE) facility with this UHV-optical chamber distinctly proved that optical spectroscopy is a powerfull tool for analyzing the structural properties (e.g. reconstructions) and the chemical bindings at a surface, as well as its dynamical properties. Beside the experimental activities, first principles calculations within the framework of density functional theory (DFT) and local density approximation (LDA) were performed. Therefore the geometrical, statical properties (e.g. atomic positions) of the surface and near-surface atoms could be determined. Additionally, their dynamical properties (e.g. displacement patterns and vibrational frequencies) were calculated with the frozen phonon approximation. This combination of experimental and theoretical determination of the surface dynamics offers an additional tool for surface characterisation beside the classical methods for surface analysis like RHEED, LEED, XPS, Auger and SXRD. Because frozen phonon calculations do not constitute an integral part of the available DFT programm code fhi96md, the extension was performed as a part of this thesis. The theoretical calculation of vibration frequencies with dynamical matrices is described in one of the subsections. The frequencies calculated in this way for different surface reconstructions were successfully compared with the experimentally observed frequencies in the case of pure BeTe(100) surfaces. Thus, the first optical identification of reconstruction-induced surface eigenvibration modes was realized. After this detailed knowledge of the BeTe(100) surface Raman spectroscopy was used as a probe to track the changes of the BeTe surface under different modifications. In doing so the previous result on the pure BeTe surfaces served as references to explain the modified spectra. Besides a concept for passivation of the tellurium rich BeTe(100) surface was developed to ease the transport to far away laboratories without using extensive UHV facilities. Additionally the surfaces of further group II-tellurides (e.g. Te-rich (2x1) CdTe(100), Te-rich (2x1) MnTe(100) and Hg-rich c(2x2) HgTe) has been investigated with the RAS. Finally the start of the CdSe growth on the BeTe(100) surface was analyzed in the region of 1-5 monolayers of CdSe. Within these experiments a high sensitivity for detecting even one monolayer of CdSe was achieved by Raman spectroscopy.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Halbleiteroberfläche
KW  - Optische Eigenschaft
KW  - optisch
KW  - spektroskopie
KW  - Halbleiter
KW  - Oberfläche
KW  - DFT
KW  - optical
KW  - spectroscopy
KW  - semiconductor
KW  - surface
KW  - DFT
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8722
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TY  - THES
A1  - Fiederling, Roland
T1  - Elektrische Spininjektion in GaAs LEDs
T1  - Electrical spin injection into GaAs LEDs
N2  - Die Zielsetzung dieser Arbeit war die elektrische Spininjektion in Halbleiter zu erforschen und Methoden zu deren Realisation zu entwickeln. Hierzu wurden in dieser Arbeit III-V und II-VI Halbleiterheterostrukturen mit Hilfe von Photolumineszenz-, Elektrolumineszenz- und Anregungsspektroskopie untersucht. Die Messungen wurden bei Temperaturen im Bereich von 1.6 K bis 50 K durchgeführt und es wurden Magnetfelder bis zu 9 T verwendet. Die elektrische Spininjektion in einen nicht magnetischen Halbleiter wurde zum ersten mal in dieser Arbeit nachgewiesen. Hierzu wurden zwei neuartige Konzepte verwendet und miteinander verbunden. Zum einen wurde die Detektion von spinpolarisierten Strömen mit Hilfe von optischen Übergängen durchgeführt. Zum anderen wurde in dieser Arbeit erstmals ein semimagnetischer II-VI Halbleiter als spinpolarisierender Kontakt verwendet. Durch die optische Detektion wurden die bisherigen Magnetowiderstandsmessungen zur Bestimmung der Spininjektion abgelöst und durch die Verwendung von semimagnetischen Halbleitern wurde eine neue Klasse von Materialien für die Anwendung in spinselektiven Halbleiterheterostrukturen gefunden. Für den optischen Detektor der Elektronenpolarisation wurde eine GaAs/(Al, Ga)As Leuchtdiode (Spin-LED) verwendet, in die über das p-dotierte Substrat unpolarisierte Löcher und über den n-dotierten semimagnetischen Halbleiter spinpolarisierte Elektronen injiziert wurden. Das durch die Rekombination der Ladungsträger aus der LED emittierte Licht wurde in Oberflächenemission detektiert. Aufgrund der Auswahlregeln für optische Übergänge in Halbleitern mit Zinkblendestruktur ist es möglich, anhand der zirkularen Polarisation der Elektrolumineszenz, die Polarisation der injizierten Elektronen anzugeben. Abhängig vom externen Magnetfeld wurde die zirkulare Polarisation der Lichtemission von Spin-LEDs analysiert. Diese Polarisation erreichte schon bei geringen externen Magnetfeldern von z.B. 0.5 T sehr hohe Werte von bis zu 50 %. Im Vergleich dazu ist die intrinsische Polarisation von GaAs/(Al, Ga)As Heterostrukturen mit bis zu 5 % sehr gering. An den Spin-LEDs wurden Photolumineszenzmessungen zu der Bestimmung der intrinsischen Polarisation durchgeführt und zusätzlich wurde die Elektrolumineszenz von GaAs LEDs ohne manganhaltigen Kontakt analysiert. Mit Hilfe dieser Referenzmessungen konnten Seiteneffekte, die z.B. durch die magneto-optisch aktive manganhaltige Schicht in den Spin-LEDs verursacht werden können, ausgeschlossen werden. Insgesamt war es möglich die elektrische Spininjektion in Halbleiter eindeutig nachzuweisen.
N2  - The purpose of this thesis was to study the electrical spin injection into semiconductors. To realize this III-V and II-VI semiconductor heterostructures have been studied by photoluminescence-, electroluminescence-, and excitationspectroscopy. All measurements in this thesis have been carried out in the temperature range from 1.6 K to 50 K, and magnetic fields up to 9 T have been used. The electrical spin injection into a non magnetic semiconductor has been demonstrated experimentally for the first time in this thesis. This was possible because two complete new concepts have been used to realize the electrical spin injection. On one hand the polarization of a spin polarized current was detected by optical transitions. And on the other hand a semimagnetic II-VI semiconductor has been used for the first time to generate a spin polarized current. With semimagnetic semiconductors a new class of spin selective materials has been introduced into spintronics and by the optical detection of a spin polarized current former experimental methods e.g. magneto resistivity measurements have become obsolete. A GaAs/(Al, Ga)As light emitting diode (Spin-LED), where unpolarized holes are injected over the p-type substrate and spin polarized electrons are injected over the n-type semimagnetic contact layer, has been used in this thesis to detect spin polarized currents. The light which is emitted from the active area of the LED in surface emission has been analyzed. Due to the selection rules for optical transitions in semiconductors it is possible to determine the polarization of the current driving the LED by the analysis of the circular polarization of the emitted light. The circular polarization of the light emission of Spin-LEDs has been determined for various external magnetic fields. This polarization reached at weak magnetic fields of 0.5 T already quite high values of about 50 %. In comparison, a non magnetic GaAs/(Al, Ga)As LED produces circular polarized light with a polarization of about 5 %, which is a typical value and quite small. The Spin-LEDs have been also analyzed by photoluminescence to determine the intrinsic polarization and additionally the electroluminescence of GaAs LEDs without semimagnetic contact has been analyzed. In conclusion, all these measurements clearly showed, that spin polarized currents can be injected through semimagnetic semiconductors into non magnetic semiconductors.
KW  - Zwei-Sechs-Halbleiter
KW  - Elektronenspin
KW  - Diffusionsverfahren <Halbleitertechnologie>
KW  - Halbleiter
KW  - Spintronik
KW  - Spin-LED
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Semiconductors
KW  - Spintronics
KW  - Spin-LED
KW  - Optical spectroscopy
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11338
ER  - 
TY  - THES
A1  - Volkmann, Thorsten
T1  - Lattice gas models and simulations of epitaxial growth
T1  - Gittergasmodelle und Simulationen von Epitaktischem Wachstum
N2  - In this PhD thesis, we develop models for the numerical simulation of epitaxial crystal growth, as realized, e.g., in molecular beam epitaxy (MBE). The basic idea is to use a discrete lattice gas representation of the crystal structure, and to apply kinetic Monte Carlo (KMC) simulations for the description of the growth dynamics. The main advantage of the KMC approach is the possibility to account for atomistic details and at the same time cover MBE relevant time scales in the simulation. In chapter 1, we describe the principles of MBE, pointing out relevant physical processes and the influence of experimental control parameters. We discuss various methods used in the theoretical description of epitaxial growth. Subsequently, the underlying concepts of the KMC method and the lattice gas approach are presented. Important aspects concerning the design of a lattice gas model are considered, e.g. the solid-on-solid approximation or the choice of an appropriate lattice topology. A key element of any KMC simulation is the selection of allowed events and the evaluation of Arrhenius rates for thermally activated processes. We discuss simplifying schemes that are used to approximate the corresponding energy barriers if detailed knowledge about the barriers is not available. Finally, the efficient implementation of the MC kinetics using a rejection-free algorithm is described. In chapter 2, we present a solid-on-solid lattice gas model which aims at the description of II-VI(001) semiconductor surfaces like CdTe(001). The model accounts for the zincblende structure and the relevant surface reconstructions of Cd- and Te-terminated surfaces. Particles at the surface interact via anisotropic nearest and next nearest neighbor interactions, whereas interactions in the bulk are isotropic. The anisotropic surface interactions reflect known properties of CdTe(001) like the small energy difference between the c(2x2) and (2x1) vacancy structures of Cd-terminated surfaces. A key element of the model is the presence of additional Te atoms in a weakly bound Te* state, which is motivated by experimental observations of Te coverages exceeding one monolayer at low temperatures and high Te fluxes. The true mechanism of binding excess Te to the surface is still unclear. Here, we use a mean-field approach assuming a Te* reservoir with limited occupation. In chapter 3, we perform KMC simulations of atomic layer epitaxy (ALE) of CdTe(001). We study the self-regulation of the ALE growth rate and demonstrate how the interplay of the Te* reservoir occupation with the surface kinetics results in two different regimes: at high temperatures the growth rate is limited to one half layer of CdTe per ALE cycle, whereas at low enough temperatures each cycle adds a complete layer. The temperature where the transition between the two regimes occurs depends mainly on the particle fluxes. The temperature dependence of the growth rate and the flux dependence of the transition temperature are in good qualitative agreement with experimental results. Comparing the macroscopic activation energy for Te* desorption in our model with experimental values we find semiquantitative agreement. In chapter 4, we study the formation of nanostructures with alternating stripes during submonolayer heteroepitaxy of two different adsorbate species on a given substrate. We evaluate the influence of two mechanisms: kinetic segregation due to chemically induced diffusion barriers, and strain relaxation by alternating arrangement of the adsorbate species. KMC simulations of a simple cubic lattice gas with weak inter-species binding energy show that kinetic effects are sufficient to account for stripe formation during growth. The dependence of the stripe width on control parameters is investigated. We find an Arrhenius temperature dependence, in agreement with experimental investigations of phase separation in binary or ternary material systems. Canonical MC simulations show that the observed stripes are not stable under equilibrium conditions: the adsorbate species separate into very large domains. Off-lattice simulations which account for the lattice misfit of the involved particle species show that, under equilibrium conditions, the competition between binding and strain energy results in regular stripe patterns with a well-defined width depending on both misfit and binding energies. In KMC simulations, the stripe-formation and the experimentally reported ramification of adsorbate islands are reproduced. To clarify the origin of the island ramification, we investigate an enhanced lattice gas model whose parameters are fitted to match characteristic off-lattice diffusion barriers. The simulation results show that a satisfactory explanation of experimental observations within the lattice gas framework requires a detailed incorporation of long-range elastic interactions. In the appendix we discuss supplementary topics related to the lattice gas simulations in chapter 4.
N2  - Diese Doktorarbeit behandelt die Modellierung und Simulation von epitaktischem Kristallwachstum, wie es in der Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisiert ist. Die Kristallstruktur wird dabei durch ein Gittergasmodell dargestellt, während die Wachstumsdynamik mit Hilfe kinetischer Monte Carlo (KMC) Simulationen beschrieben wird. Der Hauptvorteil des KMC-Ansatzes besteht darin, atomistische Details des Wachstums berücksichtigen zu können und gleichzeitig MBE-relevante Zeitskalen in der Simulation zu erreichen. In Kapitel 1 wird das Prinzip der MBE erläutert, wobei wichtige Oberflächenprozesse und der Einfluss experimenteller Kontrollparameter diskutiert werden. Es folgt eine Darstellung wichtiger Methoden zur theoretischen Beschreibung epitaktischen Wachstums. Danach werden der KMC-Ansatz und das Gittergaskonzept erläutert. Für den Entwurf eines Gittergasmodells relevante Aspekte wie die solid-on-solid Näherung oder die Wahl einer geeigneten Gittertopologie werden diskutiert. Ein Hauptbestandteil jeder KMC-Simulation ist die Auswahl erlaubter Ereignisse und die Berechnung der Arrhenius-Raten thermisch aktivierter Prozesse. Hierzu sind Kenntnisse über zugehörige Energiebarrieren notwendig. Wir diskutieren vereinfachende Ansätze zur Näherung der Barrieren. Abschließend wird die Umsetzung der KMC-Methode in einem effizienten Simulationsalgorithmus beschrieben. In Kapitel 2 wird ein Gittergasmodell zur Beschreibung von II-VI(001) Halbleiteroberflächen wie z.B. CdTe(001) vorgestellt. Das Modell berücksichtigt die Zinkblendestruktur sowie relevante Rekonstruktionen Cd- und Te-terminierter Oberflächen. Wir nehmen anisotrope Wechselwirkungen zwischen NN und NNN an der Oberfläche an, während Teilchen im Bulk isotrop wechselwirken. Die anisotropen Wechselwirkungen spiegeln bekannte Eigenschaften von CdTe(001) wie den geringen Energieunterschied zwischen der c(2x2)- und der (2x1)-Leerstellenstruktur der Cd-terminierten Oberfläche wider. Ein Hauptbestandteil des Modells ist die Einbindung von Te-Atomen in einem schwach gebundenen Te*-Zustand. Dessen Existenz wird gestützt durch experimentell beobachtete Te-Bedeckungen von mehr als einer Monolage bei tiefen Temperaturen und hohen Te-Flüssen. Der tatsächliche Bindungsmechanismus der Te*-Atome wurde bisher nicht geklärt. Im Modell wird im Rahmen eines mean-field Ansatzes ein Te*-Reservoir mit begrenzter Kapazität angenommen. In Kapitel 3 wird die Atomlagenepitaxie (ALE) von CdTe(001) simuliert. Wir untersuchen die Selbstregulierung der ALE-Wachstumsrate und zeigen, dass das Zusammenspiel der Te*-Reservoir-Besetzung mit kinetischen Effekten an der Oberfläche zu zwei verschiedenen Wachstumsbereichen führt. Bei hohen Temperaturen ist die Wachstumsrate auf eine halbe Lage CdTe pro ALE-Zyklus beschränkt, während bei tiefen Temperaturen eine volle Lage pro Zyklus deponiert wird. Die Temperatur, bei der der Übergang zwischen beiden Bereichen eintritt, hängt im Wesentlichen nur vom Teilchenfluss ab. Die Temperaturabhängigkeit der ALE-Wachstumsrate sowie die Flussabhängigkeit der Übergangstemperatur stimmen qualitativ gut mit experimentellen Ergebnissen überein. Eine Abschätzung der makroskopischen Aktivierungsenergie für die Desorption schwach gebundener Te*-Atome in unserem Modell ergibt eine semiquantitative Übereinstimmung mit experimentellen Werten. In Kapitel 4 simulieren wir die Bildung von Nanostrukturen mit alternierenden Streifen während der Submonolagen-Heteroepitaxie. Zwei Mechanismen werden untersucht: Trennung zweier Adsorbatsorten aufgrund verschieden hoher Diffusionsbarrieren, und Verspannungsabbau durch abwechselnde Anordnung der Adsorbatsorten. KMC-Simulationen eines einfach kubischen Gittergasmodells mit schwacher Bindung zwischen unterschiedlichen Adsorbatsorten zeigen, dass die Streifenbildung allein durch kinetische Effekte während des Wachstums hervorgerufen werden kann. Der Einfluss von Kontrollparametern auf die Streifenbreite wird untersucht. Wir finden ein Arrhenius-Verhalten für die Temperaturabhängigkeit, in Übereinstimmung mit experimentellen Untersuchungen. Kanonische MC-Simulationen zeigen, dass unter Gleichgewichtsbedingungen eine fast vollständige Separation der Adsorbatsorten eintritt. Gleichgewichtssimulationen mit einem gitterfreien Modell zeigen, dass die Konkurrenz zwischen Teilchenbindungen und Gitterunterschied zu regelmäßigen Streifen mit wohldefinierter Breite führt. In KMC-Simulationen werden die Streifenbildung sowie die experimentell berichtete Verästelung der Adsorbatinseln reproduziert. Eine Untersuchung der Verästelung mit einem erweiterten Gittergasmodell, dessen Parameter an charakteristische Diffusionsbarrieren des gitterfreien Modells angepasst wurden, zeigt, dass eine zufriedenstellende Beschreibung im Rahmen eines Gittergases die explizite Berücksichtigung langreichweitiger elastischer Wechselwirkungen erfordert. Im Anhang werden ergänzende Themen behandelt, die im Zusammenhang mit den Gittergassimulationen aus Kapitel 4 stehen.
KW  - Kristallwachstum
KW  - Epitaxie
KW  - Monte-Carlo-Simulation
KW  - Gittergas
KW  - Gittergas
KW  - Monte Carlo
KW  - Simulation
KW  - Epitaxie
KW  - Halbleiter
KW  - Lattice Gas
KW  - Monte Carlo
KW  - Simulation
KW  - Epitaxy
KW  - Semiconductor
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13812
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TY  - THES
A1  - Volkenstein, Stefan
T1  - Das Wachstumsverhalten von Nucleus cochlearis-Zellen auf verschiedenen Halbleitermaterialien
T1  - Cochlear Nucleus Neuron Growth on Semiconductors
N2  - Patienten mit einer fortgeschrittenen sensorineuralen Schwerhörigkeit oder Taubheit können von der Versorgung mit implantierbaren Hörsystemen, wie dem Cochlea-Implantat (CI) oder dem Hirnstammimplantat (ABI=auditory brainstem implant), profitieren. Hierbei werden Höreindrücke unter Umgehung der Cochlea durch direkte elektrische Stimulation auditorischer Neurone erzeugt. Eine günstigere „bioelektronische“ Ankopplung solcher Systeme könnte zukünftig zu einer weiteren Verbesserung der Hörqualität führen. Zielsetzung dieser Arbeit war es, Erkenntnisse über das Wachstumsverhalten und die Beeinflussbarkeit von Nucleus cochlearis(NC)-Explantaten auf verschiedenen Halbleitermaterialien zu gewinnen. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden NC-Explantate von 10 Tage alten Raten für 96 Stunden in Neurobasalmedium auf den beiden Halbleitermaterialien Silizium (Si) und Siliziumnitrid (Si3N4), jeweils mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen und der Beschichtung mit Extrazellulärmatrixproteinen durchgeführt. Dabei wurde nach immunhistochemischer Färbung der Neuriten die Überlebensrate der NC-Explantate, die Neuritenanzahl pro Explantat und die Neuritenlänge in den unterschiedlichen Gruppen bestimmt. Des Weiteren sollten durch elektronenmikroskopische Betrachtung nähere Details über die Wechselwirkung der Neuriten mit ihrer biologischen und alloplastischen Umgebung beobachtet werden. Auf unpolierten Halbleitermaterialien konnte zwar eine gutes Anwachsen, aber keine Neuritenelongation beobachtet werden, weder auf Si noch auf Si3N4. Von den untersuchten Gruppen zeigte poliertes und mit Laminin beschichtetes Si3N4 bezüglich Neuritenlänge und –anzahl im Vergleich zur Kontrollgruppe die beste Biokompatibilität. Unter diesen Bedingungen erreichten die Neuriten eine durchschnittliche Länge von 236µm und waren damit signifikant länger als in allen Vergleichsgruppen. Die hier durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Zellkultur von NC-Explantaten auf Halbleitermaterialien prinzipiell möglich ist. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, die Neuritenlänge und –anzahl betreffend, deuten auf eine Beeinflussung des Wachstums von NC-Explantaten durch das verwendete Material, die Oberflächenbeschaffenheit und –beschichtung mit Extrazellulärmatrixproteinen hin. Für weiterführende Untersuchungen auf diesem Gebiet mit dem Ziel der engen Adaptation von auditorischen Neuronen und Mikrochipsystemen bietet sich somit poliertes und mit Laminin beschichtetes Si3N4 an. Durch implantierbare Mikrochiptechnologie und deren Einbindung in neuronale Netzwerke, beispielsweise im Hirnstamm, könnte eine Verbesserung der Hörrehabilitation bei ertaubten Patienten erwartet werden.
N2  - In patients with severe sensory hearing loss, implantable hearing systems such as cochlear implants (CI) and auditory brainstem implants (ABI) can provide auditory information by electrical stimulation of auditory neurons. The biological adaptation of microelectronics to auditory nerve cells may lead to further improvement in hearing quality for implant users. Whereas several kinds of neurons are known to grow on semiconductor substrates, used in chip technology and neuroelectronics, interactions of cochlear nucleus (CN) neurons with such materials have yet to be described. The here presented investigations show that CN neuron survival and neurite extension on semiconductors is possible. The differences in neuron length and counts per explant indicate that the growth of CN neurons is influenced by the semiconductor substrate as well as extracellular matrix proteins. Laminin coated Si3N4 has been proven to be the preferable material for further hybrid experiments on auditory-neuron-semiconductor chips. Further investigations in this field will be performed to achieve a close adaptation of implantable chip technology to neuronal networks of the auditory brain stem. These new techniques are expected to improve hearing rehabilitation in patients with lesions at the auditory pathway such as acoustic neuroma.
KW  - Nucleus cochlearis
KW  - Halbleiter
KW  - Cochlea Implantat
KW  - Hirnstammimplantat
KW  - auditorische Neurone
KW  - Cochlear Nucleus
KW  - Semiconductors
KW  - Cochlea Implant
KW  - ABI
KW  - cellculture
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13425
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scheibner, Michael
T1  - Über die Dynamik lokal wechselwirkender Spinträger
T1  - About the dynamics of locally interacting spin carriers
N2  - In dieser Arbeit wurde die Dynamik spintragender Teilchen (Elektronen, Löcher, Exzitonen) in selbstorganisierten Cd(Mn)Se/ZnSe Quantenpunkten sowie leicht dotiertem GaAs untersucht. Die unterschiedlichen Materialgruppen boten die Möglichkeit verschiedene Einflüsse auf Spinzustände zu studieren. Die Injektion definierter Spinzustände in die Halbleiterstrukturen erfolgte ausschließlich auf optischem Weg. Ebenfalls optisch wurde auch die zeitliche Entwicklung der Spinzustände detektiert. Die Anwendung von zeitaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie zeitaufgelöster Kerr-Rotation, ermöglichte den Zugriff sowohl auf longitudinale wie auch transversale Spinrelaxationsprozesse. Desweiteren wurde eine Kopplung der Quantenpunkten über ihr Strahlungsfeld diskutiert.
N2  - In this thesis the dynamics of spin carrying particles like electrons, holes and excitons in self-organized Cd(Mn)Se/ZnSe quantum dots and lightly doped GaAs has been studied. The different materials offered the possibility to investigate various influences on spin states. The injection of defined spin states into the semiconductor structures was achieved exclusively by optical means. Likewise, the temporal evolution of the spin states was detected optically. The application of time resolved photoluminescence spectroscopy and time resolved Kerr rotation gave access to longitudinal as well as transverse spin relaxation processes. In addition a coupling of the quantum dots through their radiation field was discussed.
KW  - Quantenpunkt
KW  - Spindynamik
KW  - Quantenpunkte
KW  - Spindynamik
KW  - Magneto-optik
KW  - semimagnetisch
KW  - Halbleiter
KW  - zeitafgelöst
KW  - Strahlungskopplung
KW  - CdSe
KW  - GaAs
KW  - Quantum dots
KW  - spindynamics
KW  - magneto optics
KW  - semi-magnetic
KW  - semiconductor
KW  - time resolved
KW  - radiative coupling
KW  - CdSe
KW  - GaAs
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20127
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TY  - THES
A1  - Slobodskyy, Taras
T1  - Semimagnetic heterostructures for spintronics
T1  - Semimagnetische Heterostrukturen für Spintronik
N2  - Für zukünftige Technologien ist die Erforschung von der verwendeten Teilchen nötig. Spintronik ist ein modernes Gebiet der Physik, welches neben der Ladung auch die Spineigenschaften als zus¨atzlichen Freiheitsgrad nutzbar macht. Der ”conductivity mismatch” stellt ein fundamentales Problem für elektrische Spininjektion aus einem ferromagnetischem Metal in einen diffusiven Halbleiter dar. Daher müssen andere Methoden für die Injektion spin-polarisierter Ladungsträger benutzt werden. Mit einem Tunnelkontakt ist es möglich, eine hoch spin-polarisierte, Raumtemperatur Tunnel-Injektion zu erzielen. Wir benutzten einen neuen Ansatz und verwendeten magnetische RTDs zur Spinmanipulation. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von magnetischen, resonanten Tunneldioden (RTDs) aus rheinen II-VI-Halbleitern in ihrer Verwendung für die Spintronik beschrieben. Wachstumsbedingungen wurden optimiert, um das Peak-to-Valley-Verhältnis zu vergrößern. Das Design der RTDs wurde optimiert, um spinbezogene Transporteffekte beobachten zu könen. Mit einem externen Magnetfeld war Spinmanipulation möglich. Selbstorganisierte CdSe Quanten-Strukturen wurden hergestelt und mit optischen Techniken untersucht. Sie würden in (Zn,Be)Se Tunnelbarrieren eingebettet, so dass ihre Eigenschaften durch resonantes Tunneln zugänglich wurden.
N2  - In pursuit of a novel generation of devices, exploration of spin properties of the particles is needed. Spintronics is a modern field in physics which exploits spin properties to be used in addition to the charge degree of freedom. Since the conductivity mismatch problem presents a fundamental obstacle for electrical spin injection from a ferromagnetic metal into a diffusive semiconductor [SFM+00], other means for injecting spin-polarized carriers must be used. With a tunnel contact, it is possible to achieve a highly spin-polarized room-temperature tunnel injection [JWS+05]. We used a novel approach and applied magnetic RTDs for spin manipulation. In this work, properties of all-II-VI magnetic resonant tunneling diodes (RTDs), as applied to spintronics, were reported. Growth conditions were optimized to increase the peak-to-valley ratio, and the design of the RTDs was optimized for observation of spin related transport effects. When an external magnetic field was applied, spin manipulation became possible. Selforganized CdSe quantum structures were grown and investigated using optical means. After embedding them into a (Zn,Be)Se tunneling barrier, the properties were assessed by the resonant tunneling.
KW  - Heterostruktur-Bauelement
KW  - Semimagnetischer Halbleiter
KW  - Magnetoelektronik
KW  - Halbleiter
KW  - Spintronik
KW  - ZnMnSe
KW  - Semiconductors
KW  - Spintronics
KW  - ZnMnSe
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21011
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TY  - THES
A1  - Pappert, Katrin
T1  - Anisotropies in (Ga,Mn)As - Measurement, Control and Application in Novel Devices
T1  - Anisotropien in (Ga,Mn)As - Messung, Kontrolle und Anwendung in neuartigen Bauelementen
N2  - Ferromagnetic semiconductors (FS) promise the integration of magnetic memory functionalities and semiconductor information processing into the same material system. The prototypical FS (Ga,Mn)As has become the focus of semiconductor spintronics research over the past years. The spin-orbit mediated coupling of magnetic and semiconductor properties in this material gives rise to many novel transport-related phenomena which can be harnessed for device applications. In this thesis we address challenges faced in the development of an all-semiconductor memory architecture. A starting point for information storage in FS is the knowledge of their detailed magnetic anisotropy. The first part of this thesis concentrates on the investigation of the magnetization behaviour in compressively strained (Ga,Mn)As by electrical means. The angle between current and magnetization is monitored in magnetoresistance(MR) measurements along many in-plane directions using the Anisotropic MR(AMR) or Planar Hall effect(PHE). It is shown, that a full angular set of such measurements displayed in a color coded resistance polar plot can be used to identify and quantitatively determine the symmetry components of the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As at 4 K. We compile such "anisotropy fingerprints" for many (Ga,Mn)As layers from Wuerzburg and other laboratories and find the presence of three symmetry terms in all layers. The biaxial anisotropy term with easy axes along the [100] and [010] crystal direction dominates the magnetic behaviour. An additional uniaxial term with an anisotropy constant of ~10% of the biaxial one has its easy axis along either of the two <110> directions. A second contribution of uniaxial symmetry with easy axis along one of the biaxial easy axes has a strength of only ~1% of the biaxial anisotropy and is therefore barely visible in standard SQUID measurements. An all-electrical writing scheme would be desirable for commercialization. We report on a current assisted magnetization manipulation experiment in a lateral (Ga,Mn)As nanodevice at 4 K (far below Tc). Reading out the large resistance signal from DW that are confined in nanoconstrictions, we demonstrate the current assisted magnetization switching of a small central island through a hole mediated spin transfer from the adjacent leads. One possible non-perturbative read-out scheme for FS memory devices could be the recently discovered Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) effect. Here we clarify the origin of the large amplification of the TAMR amplitude in a device with an epitaxial GaAs tunnel barrier at low temperatures. We prove with the help of density of states spectroscopy that a thin (Ga,Mn)As injector layer undergoes a metal insulator transition upon a change of the magnetization direction in the layer plane. The two states can be distinguished by their typical power law behaviour in the measured conductance vs voltage tunneling spectra. While all hereto demonstrated (Ga,Mn)As devices inherited their anisotropic magnetic properties from their parent FS layer, more sophisticated FS architectures will require locally defined FS elements of different magnetic anisotropy on the same wafer. We show that shape anisotropy is not applicable in FS because of their low volume magnetization. We present a method to lithographically engineer the magnetic anisotropy of (Ga,Mn)As by submicron patterning. Anisotropic strain relaxation in submicron bar structures (nanobars) and the related deformation of the crystal lattice introduce a new uniaxial anisotropy term in the energy equation. We demonstrate by both SQUID and transport investigations that this lithographically induced uniaxial anisotropy overwrites the intrinsic biaxial anisotropy at all temperatures up to Tc. The final section of the thesis combines all the above into a novel device scheme. We use anisotropy engineering to fabricate two orthogonal, magnetically uniaxial, nanobars which are electrically connected through a constriction. We find that the constriction resistance depends on the relative orientation of the nanobar magnetizations, which can be written by an in-plane magnetic field. This effect can be explained with the AMR effect in connection with the field line patterns in the respective states. The device offers a novel non-volatile information storage scheme and a corresponding non-perturbative read-out method. The read out signal is shown to increase drastically in samples with partly depleted constriction region. This could be shown to originate in a magnetization direction driven metal insulator transition of the material in the constriction region.
N2  - Ferromagnetische Halbleiter (FS) versprechen die Integration von magnetischen Eigenschaften für Speicheranwendungen und halbleitenden Eigenschaften zur Informationsverarbeitung innerhalb des selben Materialsystems. (Ga,Mn)As ist als Modellsystem in den letzten Jahren in den Fokus der Halbleiterspintronik gerückt. Die Kopplung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften über die Spin-Bahn-Wechselwirkung ist die Ursache vieler neuer Transportphänomene. Sie sind Grundlage neuartiger Anwendungen und Bauteildesigns. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Herausforderungen, die die Entwicklung einer halbleitenden Speicherarchitektur mit sich bringt. Die Kenntnis der magnetischen Anisotropie ist die Grundlage für die magnetische Informationsspeicherung. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Untersuchung des Verhaltens der Magnetisierung in kompressiv verspannten (Ga,Mn)As Schichten durch elektrische Messungen. Bei Magnetfeld-Scans entlang vieler Richtungen in der Schichtebene wird der von Strom und Magnetisierung eingeschlossene Winkel mittels des Anisotropen Magnetowiderstandseffektes(AMR) oder des Planaren Hall Effektes(PHE) beobachtet. Eine winkelabhängige Reihe solcher Messungen, dargestellt in einem farbkodierten Widerstandspolardiagramm, wird zur Identifizierung und quantitativen Bestimmung der Symmetriekomponenten der magnetischen Anisotropie bei 4 K verwendet. Solche „Anisotropiefingerabdrücke" von vielen (Ga,Mn)As Schichten aus Würzburg und anderen Laboratorien bestätigen das Vorhandensein von drei Anisotropiekomponenten bei 4 K. Der vierzählige Anteil mit weichen Achsen entlang der [100] und [010] Kristallrichtung dominiert die magnetischen Eigenschaften. Ein weiterer Anteil, mit zweizähliger Symmetrie, typische Anisotropiekonstante ~10% der vierzähligen, hat seine weiche Achse entlang einer <110> Richtungen. Eine zweite zweizählige Komponente mit weicher Achse entlang [100] oder [010] wird wegen seiner kleinen Anisotropiekonstante (1% der vierzähligen) in SQUID Messungen oft übersehen. Elektrisches Schreiben wäre für kommerzielle Anwendungen interessant. Wir demonstrieren strominduziertes Magnetisierungsschalten in einer lateralen (Ga,Mn)As Struktur bei 4 K. Wir lesen den großen Widerstand aus, der durch das geometrische Confinement von Domänenwänden in Verengungen entsteht. Das stromunterstützte Umschalten der Magnetisierung einer kleinen Insel durch ladungsträger-übermittelten Spin-Transfer von den größeren Zuleitungen kann nachgewiesen werden. Eine Moeglichkeit zur nichtzerstörenden Messung des Magnetisierungszustandes eines Halbleiterspeicherelementes ist die Nutzung des Anisotropen Tunnelmagnetowiderstandseffekts (TAMR). Hier wird der Ursprung der großen Verstärkung des Effektes in einer Struktur mit epitaktisch gewachsenener Tunnelbarriere bei niedrigen Temperaturen untersucht und erklärt. Es wird gezeigt, dass eine dünne (Ga,Mn)As Injektorschicht vom metallischen in den isolierenden Zustand übergeht, wenn die Magnetisierungsrichtung in der Schichtebene gedreht wird. Zustände auf der metallischen Seite des MIT können leicht von Zuständen auf der isolierenden Seite am Anstieg der Tunnelleitfähigkeitskennlinie unterschieden werden. Um den Anforderungen von komplexeren Architekturen und Designs gerecht zu werden, wird hier eine Methode eingeführt, um erstmals die magnetische Anisotropie in (Ga,Mn)As lokal zu kontrollieren. Typische (Ga,Mn)As Strukturen habe eine vernachlässigbar kleine Formanisotropie. Die neuartige Methode zur lokalen Einstellung der magnetischen Anisotropie, beruht auf der Mikrostrukturierung und der damit verbundenen anisotropen Relaxation des Kristallgitters. SQUID- und Transportmessungen demonstrieren die uniaxiale magnetische Anisotropie der lithographisch definierten Submikrometer-Streifen (Nanobars), die im gesamten Temperaturbereich von 4 K bis zu Tc die magnetischen Eigenschaften der Strukturen bestimmt. Im letzten Teil der Arbeit nutzen wir die Anisotropiekontrolle zum Design eines nicht-flüchtigen ferromagnetischen Halbleiter-Speicherelementes. Zwei senkrecht zueinander angeordnete, magnetisch uniaxiale Nanobars sind an einer Ecke über eine Verengung elektrisch verbunden. Die relative Orientierung ihrer Magnetisierungsvektoren wird durch ein Magnetfeld eingestellt. Der geschriebene Magnetisierungszustand bleibt bei ausgeschaltetem Feld erhalten und ist durch die Messung des elektrischen Widerstandes der Verengung auslesbar. Feldlinienbilder der verschiedenen magnetischen Zustände in Kombination mit dem AMR Effekt können dieses Verhalten erklären. Das Auslesesignal, also der Widerstandsunterschied zwischen den Zuständen, kann bedeutend verstärkt werden, indem eine Struktur mit teilweise verarmter Verengung verwendet wird. Wie in der TAMR Struktur, ist die Verstärkung auf einen Metall-Isolator-Uebergang beim Drehen der Magnetisierung zurückzuführen.
KW  - Anisotropie
KW  - Magnetoelektronik
KW  - Ferromagnetikum
KW  - Halbleiter
KW  - Spintronik
KW  - "(Ga
KW  - Mn)As"
KW  - Anisotropie
KW  - Bauelemente
KW  - Datenspeicher
KW  - Spintronics
KW  - "(Ga
KW  - Mn)As"
KW  - Anisotropy
KW  - devices
KW  - memory
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23370
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TY  - THES
A1  - Rüth, Michael
T1  - A Comprehensive Study of Dilute Magnetic Semiconductor Resonant Tunneling Diodes
T1  - Umfassende Untersuchung von resonanten Tunneldioden aus verdünnt-magnetischen Halbleitern
N2  - We investigate transport measurements on all II-VI semiconductor resonant tunneling diodes (RTDs). Being very versatile, the dilute magnetic semiconductor (DMS) system (Zn,Be,Mn,Cd)Se is a perfect testbed for various spintronic device designs, as it allows for separate control of electrical and magnetic properties. In contrast to the ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As, doping ZnSe with Mn impurities does not alter the electrical properties of the semiconductor, as the magnetic dopant is isoelectric in the ZnSe host.
N2  - Diese Doktorarbeit befasst sich mit Transportmessungen an resonanten Tunneldioden (engl. resonant tunneling diode, RTD), welche vollst� andig aus II-VI Halbleitermaterial bestehen. Das verd� unnt magnetische (engl. dilute magnetic semiconductor, DMS) Halbleitermaterialsystem (Zn,Be,Mn,Cd)Se ist sehr vielseitig und eignet sich hervorragend als Testsystem f� ur diverse Spintronik Bauelemente, denn magnetische und elektrische Eigenschaften lassen sich getrennt voneinander einstellen. Im Gegensatz zum ferromagnetischen Halbleiter (Ga,Mn)As ver� andert das Dotieren von ZnSe mit Mn nicht die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters.
KW  - Semimagnetischer Halbleiter
KW  - Resonanz-Tunneleffekt
KW  - Halbleiter
KW  - Resonante Tunneldioden
KW  - Spintronik
KW  - dilute magnetic semiconductors
KW  - spintronics
KW  - resonant tunneling diodes
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71472
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