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- ItemSelf-Assembly of Well-Separated AlN Nanowires Directly on Sputtered Metallic TiN Films(Weinheim : Wiley-VCH, 2020) Azadmand, Mani; Auzelle, Thomas; Lähnemann, Jonas; Gao, Guanhui; Nicolai, Lars; Ramsteiner, Manfred; Trampert, Achim; Sanguinetti, Stefano; Brandt, Oliver; Geelhaar, LutzHerein, the self-assembled formation of AlN nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy on sputtered TiN films on sapphire is demonstrated. This choice of substrate allows growth at an exceptionally high temperature of 1180 °C. In contrast to previous reports, the NWs are well separated and do not suffer from pronounced coalescence. This achievement is explained by sufficient Al adatom diffusion on the substrate and the NW sidewalls. The high crystalline quality of the NWs is evidenced by the observation of near-band-edge emission in the cathodoluminescence spectrum. The key factor for the low NW coalescence is the TiN film, which spectroscopic ellipsometry and Raman spectroscopy indicate to be stoichiometric. Its metallic nature will be beneficial for optoelectronic devices using these NWs as the basis for (Al,Ga)N/AlN heterostructures emitting in the deep ultraviolet spectral range.
- ItemEvolution of Low-Frequency Vibrational Modes in Ultrathin GeSbTe Films(Weinheim : Wiley-VCH, 2021) Zallo, Eugenio; Dragoni, Daniele; Zaytseva, Yuliya; Cecchi, Stefano; Borgardt, Nikolai I.; Bernasconi, Marco; Calarco, RaffaellaGeSbTe (GST) phase-change alloys feature layered crystalline structures made of lamellae separated by van der Waals (vdW) gaps. This work sheds light on the dependence of interlamellae interactions at the vdW gap on film thickness of GST alloys as probed by vibrational spectroscopy. Molecular beam epitaxy is used for designing GST layers down to a single lamella. By combining density-functional theory and Raman spectroscopy, a direct and simple method is demonstrated to identify the thickness of the GST film. The shift of the vibrational modes is studied as a function of the layer size, and the low-frequency range opens up a new route to probe the number of lamellae for different GST compositions. Comparison between experimental and theoretical Raman spectra highlights the precision growth control obtained by the epitaxial technique.
- ItemCritical aspects of substrate nanopatterning for the ordered growth of GaN nanocolumns(London : BioMed Central, 2011) Barbagini, Francesca; Bengoechea-Encabo, Ana; Albert, Steven; Martinez, Javier; Sanchez García, Miguel Angel; Trampert, Achim; Calleja, EnriquePrecise and reproducible surface nanopatterning is the key for a successful ordered growth of GaN nanocolumns. In this work, we point out the main technological issues related to the patterning process, mainly surface roughness and cleaning, and mask adhesion to the substrate. We found that each of these factors, process-related, has a dramatic impact on the subsequent selective growth of the columns inside the patterned holes. We compare the performance of e-beam lithography, colloidal lithography, and focused ion beam in the fabrication of hole-patterned masks for ordered columnar growth. These results are applicable to the ordered growth of nanocolumns of different materials.
- ItemAxial GaAs/Ga(As, Bi) nanowire heterostructures(Bristol : IOP Publ., 2019) Oliva, Miriam; Gao, Guanhui; Luna, Esperanza; Geelhaar, Lutz; Lewis, Ryan BBi-containing III-V semiconductors constitute an exciting class of metastable compounds with wide-ranging potential optoelectronic and electronic applications. However, the growth of III-V-Bi alloys requires group-III-rich growth conditions, which pose severe challenges for planar growth. In this work, we exploit the naturally-Ga-rich environment present inside the metallic droplet of a self-catalyzed GaAs nanowire (NW) to synthesize metastable GaAs/GaAs1-xBi x axial NW heterostructures with high Bi contents. The axial GaAs1-xBi x segments are realized with molecular beam epitaxy by first enriching only the vapor-liquid-solid (VLS) Ga droplets with Bi, followed by exposing the resulting Ga-Bi droplets to As2 at temperatures ranging from 270 °C to 380 °C to precipitate GaAs1-xBi x only under the NW droplets. Microstructural and elemental characterization reveals the presence of single crystal zincblende GaAs1-xBi x axial NW segments with Bi contents up to (10 ± 2)%. This work illustrates how the unique local growth environment present during the VLS NW growth can be exploited to synthesize heterostructures with metastable compounds. © 2019 IOP Publishing Ltd.
- ItemTowards smooth (010) ß-Ga2O3films homoepitaxially grown by plasma assisted molecular beam epitaxy: The impact of substrate offcut and metal-to-oxygen flux ratio(Bristol : IOP Publ., 2020) Mazzolini, P.; Bierwagen, O.Smooth interfaces and surfaces are beneficial for most (opto)electronic devices that are based on thin films and their heterostructures. For example, smoother interfaces in (010) ß-Ga2O3/(AlxGa1-x)2O3 heterostructures, whose roughness is ruled by that of the ß-Ga2O3 layer, can enable higher mobility 2-dimensional electron gases by reducing interface roughness scattering. To this end we experimentally prove that a substrate offcut along the [001] direction allows to obtain smooth ß-Ga2O3 layers in (010)-homoepitaxy under metal-rich deposition conditions. Applying In-mediated metal-exchange catalysis (MEXCAT) in molecular beam epitaxy at high substrate temperatures (Tg = 900 °C) we compare the morphology of layers grown on (010)-oriented substrates having different unintentional offcuts. The layer roughness is generally ruled by (i) the presence of (110)-and bar 110-facets visible as elongated features along the [001] direction (rms < 0.5 nm), and (ii) the presence of trenches (5-10 nm deep) orthogonal to [001]. We show that an unintentional substrate offcut of only ˜ 0.1° almost oriented along the [001] direction suppresses these trenches resulting in a smooth morphology with a roughness exclusively determined by the facets, i.e. rms ˜ 0.2 nm. Since we found the facet-and-trench morphology in layer grown by MBE with and without MEXCAT, we propose that the general growth mechanism for (010)-homoepitaxy is ruled by island growth whose coalescence results in the formation of the trenches. The presence of a substrate offcut in the [001] direction can allow for step-flow growth or island nucleation at the step edges, which prevents the formation of trenches. Moreover, we give experimental evidence for a decreasing surface diffusion length or increasing nucleation density on the substrate surface with decreasing metal-to-oxygen flux ratio. Based on our experimental results we can rule-out step bunching as cause of the trench formation as well as a surfactant-effect of indium during MEXCAT. © 2020 The Author(s). Published by IOP Publishing Ltd.
- ItemControl of the emission wavelength of gallium nitride-based nanowire light-emitting diodes(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2013) Wölz, MartinHalbleiter-Nanosäulen (auch -Nanodrähte) werden als Baustein für Leuchtdioden (LEDs) untersucht. Herkömmliche LEDs aus Galliumnitrid (GaN) bestehen aus mehreren Kristallschichten auf einkristallinen Substraten. Ihr Leistungsvermögen wird durch Gitterfehlpassung und dadurch hervorgerufene Verspannung, piezoelektrische Felder und Kristallfehler beschränkt. GaN-Nanosäulen können ohne Kristallfehler auf Fremdsubstraten gezüchtet werden. Verspannung wird in Nanosäulen elastisch an der Oberfläche abgebaut, dadurch werden Kristallfehler und piezoelektrische Felder reduziert. In dieser Arbeit wurden GaN-Nanosäulen durch Molukularstrahlepitaxie katalysatorfrei gezüchtet. Eine Machbarkeitsstudie über das Kristallwachstum von Halbleiter-Nanosäulen auf Metall zeigt, dass GaN-Nanosäulen in hoher Kristallqualität ohne einkristallines Substrat epitaktisch auf Titanschichten gezüchtet werden können. Für das Wachstum axialer (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen in Nanosäulen wurden quantitative Modelle entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Nanosäulen-LEDs auf Silizium-Wafern zeigt, dass dadurch eine Kontrolle der Emissionswellenlänge erreicht wird. Die Gitterverspannung der Heterostrukturen in Nanosäulen ist ungleichmäßig aufgrund des Spannungsabbaus an den Seitenwänden. Das katalysatorfreie Zuchtverfahren führt zu weiteren statistischen Schwankungen der Nanosäulendurchmesser und der Abschnittlängen. Die entstandene Zusammensetzung und Verspannung des (In,Ga)N-Mischkristalls wird durch Röntgenbeugung und resonant angeregte Ramanspektroskopie ermittelt. Infolge der Ungleichmäßigkeiten erfordert die Auswertung genaue Simulationsrechnungen. Eine einfache Näherung der mittleren Verspannung einzelner Abschnitte kann aus den genauen Rechnungen abgeleitet werden. Gezielte Verspannungseinstellung erfolgt durch die Wahl der Abschnittlängen. Die Wirksamkeit dieses allgemeingültigen Verfahrens wird durch die Bestimmung der Verspannung von (In,Ga)N-Abschnitten in GaN-Nanosäulen gezeigt.
- ItemEpitaxial growth of Ge-Sb-Te based phase change materials(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2013) Perumal , KarthickGe-Sb-Te basierte Phasenwechselmaterialen sind vielersprechende Kandidaten für die Anwendung in optischen und elektrischen nicht-flüchtigen Speicheranwendungen. Diese Materialien können mit Hilfe von elektrischen oder optischen Pulsen reversibel zwischen der kristallinen und amorphen Struktur geschaltet werden. Diese stukturellen Phasen zeigen einen großen Unterschied in ihren elektronischen Eigenschaften, der sich in einer starken Änderung der optischen Reflektivität und des elektrischen Widerstands zeigt.Diese Studie befasst sich mit epitaktischem Wachstum und Analyse der epitaktischen Schichten. Der erste Teil der Arbiet befasst sich mir dem epitaktischen Wachstum von GeTe. Dünne GeTe Schichten wurden auf Si(111) und Si(001) Substraten mit einer Gitterfehlanpassung von 10.8% präpariert. Auf beiden Substraten bildet sich in der GeTe Schicht die [111] Oberflächenfacette parallel zur Si(001) und Si(111) Oberfläche aus. Während des inertialen Wachstums findet eine Phasentransformation von amorph zu kristallin statt. Diese Phasentransformation wurde mittels azimuthaler in-situ Beugung hochenergetischer Elektronen sowie in-situ Röntgenbeugung unter streifendem Einfall untersucht. Der zweite Teil der Arbeit wird die Epitaxie sowie die strukturelle Charakterisierung dünner Sb2Te3 Schichten dargestellt. Der dritte Teil umfasst die Epitaxie terniärer Ge-Sb-Te Schichten . Zum Wachstum wurden sowohl die Substrattemperatur als auch die Ge, Sb und Te Flüsse variiert. Es wird gezeigt, dass die Komposition der Schicht stark von der Wachtumstemperatur abhängt und nur entlang der pseudibinären Verbindungslinie von GeTe-Sb2Te3 variiert. Zur Kontrolle des Wachstums wurde dabei die in-situ Quadrupol Massenspektroskopie verwendet. Es zeigen sich diverse inkommensurate Beugungsmaxima entlang der [111] Oberflächennormalen der Schichten, anhand derer die Ausbildung einer Lehrstellen Ordnung in Form einer Überstruktur diskutiert wird.
- ItemWachstum und Charakterisierung von Seltenerdoxiden und Magnesiumoxid auf Galliumarsenid-Substraten(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2015) Hentschel, ThomasDie Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger in einem Halbleiter gilt als Grundvoraussetzung zur Realisierung spintronischer Bauelemente. Einen möglichen Ansatz zu deren Realisierung stellen Ferromagnet/Halbleiter(FM/HL)-Hybridstrukturen dar, deren Herstellung jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist. Durch die Vermischung des ferromagnetischen Materials mit dem Halbleiter werden die elektronischen Eigenschaften der Hybridstruktur verändert und die Spininjektionseffizienz stark verringert. Durch das gezielte Einfügen einer dünnen Oxidschicht in den FM/HL-Grenzübergang kann die Diffusion unterdrückt, die Kristallqualität verbessert und die Effizienz der Struktur erhöht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dünner Oxidschichten, hergestellt mittels Molekularstrahlepitaxie. Zwei Seltenerdoxide, La2O3 und Lu2O3, werden auf GaAs-Substraten gewachsen und die Kristallqualität der Schichten miteinander verglichen. Mit der Heusler-Legierung Co2FeSi als Injektorschicht wird eine FM/Oxid/HL-Hybridstruktur auf Basis einer La2O3/GaAs(111)B-Struktur realisiert und magnetisch und elektrisch charakterisiert. Ein häufig verwendetes Barrierenmaterial in FM/HL-Hybridstrukturen ist Magnesiumoxid (MgO). In dieser Arbeit werden dünne MgO-Schichten auf GaAs(001) an der PHARAO-Wachstumsanlage am BESSY II erzeugt. Dies geschieht durch getrenntes Verdampfen von metallischem Mg bzw. Einleiten von molekularem Sauerstoff in die Wachstumskammer. Um die Oxidation des Halbleitersubstrats zu verhindern, wird vor dem MgO-Wachstum eine dünne Mg-Schicht abgeschieden. Abhängig von der Dicke dieser Schicht sind zwei in-plane-Orientierungen des MgO relativ zum GaAs kontrolliert einstellbar. Darüber hinaus werden Hybridstrukturen mit Eisen Fe als Injektorschicht und schrittweise erhöhter MgO-Schichtdicke gewachsen. Die Eindiffusion von Fe in das GaAs-Substrat nimmt mit zunehmender MgO-Schichtdicke um mehrere Größenordnungen ab.
- ItemGrowth of GaN nanowire ensembles in molecular beam epitaxy: Overcoming the limitations of their spontaneous formation(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Zettler, Johannes KristianDichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm.
- ItemLattice matched Volmer–Weber growth of Fe3Si on GaAs(001) - the influence of the growth rate(Bristol : IOP Publ., 2019) Jenichen, B.; Cheng, Z.; Hanke, M.; Herfort, J.; Trampert, A.We investigate the formation of lattice matched single-crystalline Fe3Si/GaAs(001) ferromagnet/semiconductor hybrid structures by Volmer-Weber island growth, starting from the epitaxial growth of isolated Fe3Si islands up to the formation of continuous films as a result of island coalescence. We find coherent defect-free layers exhibiting compositional disorder near the Fe3Si/GaAs - interface for higher growth rates, whereas they are fully ordered for lower growth rates. © 2019 IOP Publishing Ltd.