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Im Rahmen dieser Arbeit wurde der pseudo-halogenide Gasphasenepitaxie (PHVPE)-Prozess für die GaN-Kristallzüchtung entwickelt. Dieser Prozess basiert auf dem Zyanid als Transportmittel für Ga. Das HCN wurde aus der Reaktion von heißem NH3 entweder mit Graphit oder einem gasförmigen Kohlenstoffträger gewonnen. Als Quelle für reaktiven Stickstoff diente NH3. Im ersten Ansatz wurde ein Reaktor aus Graphit genutzt. In diesem Fall wurden Wachstumsraten von 60 um=h erreicht. Außerdem zeigte der Kristall eine geringe Perfektion mit hoher V-Grubendichte. Im zweiten Ansatz bestand der Reaktor aus mit pyrolytischem Graphit beschichteten Teilen. Diese Änderung des Konzeptes half die Kristallqualität zu verbessern, reduzierte aber gleichzeitig die Wachstumsrate drastisch, weil das Ga-transportmittel nicht mehr ausreichend zur Verfügung stand. Der neu konstruierte, graphitfreie Aufbau stellt den dritten Zugang zur PHVPE dar. In diesem Fall entsteht HCN während eines Degussa-Prozesses am Pt-Katalysator im Züchtungsreaktor. Zur Untersuchung der Reaktionswege wurde ein FTIR-basiertes insitu Abgasmesssystem entwickelt. GaN-Kristalle wurden auf Saphir und Ga2O3 Substraten, AlN/Al2O3 und GaN/Al2O3 Templates gezüchtet. Eine Selbstseparation wurde für dicke GaN-Schichten auf Ga2O3 erreicht. Die Proben wurden mit verschiedenen Methoden charakterisiert, z.B. mit der Röntgenbeugungs-Spektroskopie (XRD) und Elektronenrückstreubeugung (EBSD) für die Kristallperfektion und kristallographische Orientierung, der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Untersuchung von Versetzungen und der Grenzfläche zwischen GaN und dem Ga2O3, der Rasterelektronenmikroskopie (REM) für die Oberflächenmorphologie und Schichtdicke, der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) für die Kristallzusammensetzung, sowie der ex-situ und in-situ Abgasanalyse mit der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) zum Studium der Reaktionswege., Within the frame of this work the pseudo halide vapor phase epitaxy process (PHVPE) was developed for GaN crystals growth. The process is based on cyanide as a transport agent for Ga. The source of HCN was the reaction of hot NH3 with either graphite or gaseous carbon precursor. Source of reactive nitrogen was NH3. In the first approach the reactor made of graphite was used. In this case growth rate of 60 um/h was achieved. Additionally, the crystals exhibit poor quality with high V-pit density. The second approach was to provide the reactor with pyrolytical boron nitride covered parts. Changing the concept helped to improve the crystals'' quality but simultaneously reduced drastically the growth rate, due to the lack of sufficient supply of Ga transport agent. Newly designed graphite free setup is used in the third approach for PHVPE. In this case, HCN forms during Degussa process on Pt catalyst, inside the growth reactor. For investigation of the reaction paths, an in-situ exhaust gas measurement system based on FTIR was developed. GaN crystals were grown on sapphire and Ga2O3 substrates, AlN/Al2O3 and GaN/Al2O3 templates. Self separation was achieved for thick GaN crystals grown on Ga2O3. The samples were characterized by various methods i.e. x-ray diffraction spectroscopy (XRD) and electron back scattering diffraction EBSD for crystal quality and crystallographic orientation, transmission electron microscopy (TEM) for investigating dislocations and interface between GaN and Ga2O3, scanning electron microscopy (SEM) for surface morphology and layer thickness, energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) for crystals compositions, ex-situ and in-situ exhaust gas analysis by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) for investigation of the reaction paths.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Si-dotierte und undotierte 4” VGF-GaAs Einkristalle unter dem Einfluss von Wandermagnetfeldern (TMF) gezüchtet. Die für den Prozess benötigte Wärme und das Wandermagnetfeld wurden simultan mithilfe der kombinierten Regelung von Gleich- und Wechselströmen in einem KRISTMAG Heizer-Magnet-Modul (HMM) erzeugt. Alle Züchtungsexperimente wurden in einer kommerziellen VGF-Anlage mit eingebautem Eintiegel-HMM und in einer neu entwickelten VGF-Anlage mit Multitiegel-HMM durchgeführt. Der Einfluss der durch die Lorentzkräfte angetriebenen Schmelze auf die Form der fest-flüssig Phasengrenze wurde innerhalb einer TMF-Parameterstudie analysiert. Im Vergleich mit Referenzkristallen, welche ohne TMF gezüchtet wurden, zeigte sich, dass die Durchbiegung der Phasengrenze durch die Anwendung eines geeigneten Doppelfrequenz-TMF um etwa 30% verringert und der Kontaktwinkel am Tiegel um etwa 10% vergrößert werden kann. Zudem wurden Synergieeffekte von TMF-Anwendung und den Ansätzen zur Prozessintensivierung - Scale-Up, Speed-Up und Numbering-Up - für die Verbesserung der Prozesseffizienz erfolgreichnachgewiesen. Es wurden gleichzeitig zwei 4” VGF-GaAs:Si Einkristalle unter dem Einfluss eines TMF in einer Multitiegel-Anlage gezüchtet. In Kristallen, welche ohne oder mit zu starkem TMF gezüchtet wurden, waren Wachstumsstreifen sichtbar. Wurde die magnetische Flussdichte des TMF an den Kristallisationsverlauf angepasst, konnten nahezu keine Mikroinhomogenitäten detektiert werden. Die Länge der Kristallfacetten stabilisierte sich durch den Einsatz der Wandermagnetfelder. Zusätzlich konnten die Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle durch Optimierung des thermischen Aufbaus und der Phasengrenzform signifikant reduziert werden. Mithilfe eines dem Züchtungsverlaufes angepassten Doppelfrequenz-TMF sowie der Nutzung eines BN-Suszeptors, wurde eine durchschnittliche EPD von 100 cm-2 in einem GaAs:Si Kristall erzielt., Within the framework of this thesis Si-doped and undoped 4” VGF-GaAs single crystals were grown under the influence of traveling magnetic fields (TMF). A KRISTMAG heater-magnet module (HMM) was used for the efficient simultaneous generation of heat and TMF during the process through a combination of DC and AC control. Growth experiments were carried out in a commercial VGF growth setup equipped with a single-crucible HMM and a newly designed VGF setup with a multi-crucible HMM. The impact of the Lorentz force driven melt flow on the shape of the solid-liquid interface was analyzed in a TMF parameter study on frequency, phase shift, and current. With the application of suitable double-frequency TMF during growth, the interface deflection was reduced by about 30% and crucible contact angles increased within the order of 10%, compared to reference crystals grown without TMF. Synergy effects of TMF application on process intensification approaches scale-up, speed-up, and numbering-up were successfully shown. Two 4” VGF-GaAs:Si single crystals were simultaneously grown under the influence of a TMF in the multi-crucible HMM. With TMF application changing structural and electronic properties as well as micro- and macrosegregation were investigated on Si-doped VGF-GaAs single crystals. Striations were observed in crystals grown without or too strong TMF. Almost no micro-inhomogeneities were detected when the magnetic flux densities of the TMF were matched to the progression of solidification. Facets lengths in the crystal cone were found to be more stable with applied TMF. Further, the combined optimization of the conventional thermal setup and a reduction of the interface deflection with TMF application significantly reduced dislocation densities inside the crystals. An average EPD value around 100 cm-2 was obtained for GaAs:Si growth with a growth-matched double-frequency TMF and applied BN susceptor in the single-crucible VGF setup.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Si-dotierte und undotierte 4” VGF-GaAs Einkristalle unter dem Einfluss von Wandermagnetfeldern (TMF) gezüchtet. Die für den Prozess benötigte Wärme und das Wandermagnetfeld wurden simultan mithilfe der kombinierten Regelung von Gleich- und Wechselströmen in einem KRISTMAG Heizer-Magnet-Modul (HMM) erzeugt. Alle Züchtungsexperimente wurden in einer kommerziellen VGF-Anlage mit eingebautem Eintiegel-HMM und in einer neu entwickelten VGF-Anlage mit Multitiegel-HMM durchgeführt. Der Einfluss der durch die Lorentzkräfte angetriebenen Schmelze auf die Form der fest-flüssig Phasengrenze wurde innerhalb einer TMF-Parameterstudie analysiert. Im Vergleich mit Referenzkristallen, welche ohne TMF gezüchtet wurden, zeigte sich, dass die Durchbiegung der Phasengrenze durch die Anwendung eines geeigneten Doppelfrequenz-TMF um etwa 30% verringert und der Kontaktwinkel am Tiegel um etwa 10% vergrößert werden kann. Zudem wurden Synergieeffekte von TMF-Anwendung und den Ansätzen zur Prozessintensivierung - Scale-Up, Speed-Up und Numbering-Up - für die Verbesserung der Prozesseffizienz erfolgreichnachgewiesen. Es wurden gleichzeitig zwei 4” VGF-GaAs:Si Einkristalle unter dem Einfluss eines TMF in einer Multitiegel-Anlage gezüchtet. In Kristallen, welche ohne oder mit zu starkem TMF gezüchtet wurden, waren Wachstumsstreifen sichtbar. Wurde die magnetische Flussdichte des TMF an den Kristallisationsverlauf angepasst, konnten nahezu keine Mikroinhomogenitäten detektiert werden. Die Länge der Kristallfacetten stabilisierte sich durch den Einsatz der Wandermagnetfelder. Zusätzlich konnten die Versetzungsdichten innerhalb der Kristalle durch Optimierung des thermischen Aufbaus und der Phasengrenzform signifikant reduziert werden. Mithilfe eines dem Züchtungsverlaufes angepassten Doppelfrequenz-TMF sowie der Nutzung eines BN-Suszeptors, wurde eine durchschnittliche EPD von 100 cm-2 in einem GaAs:Si Kristall erzielt., Within the framework of this thesis Si-doped and undoped 4” VGF-GaAs single crystals were grown under the influence of traveling magnetic fields (TMF). A KRISTMAG heater-magnet module (HMM) was used for the efficient simultaneous generation of heat and TMF during the process through a combination of DC and AC control. Growth experiments were carried out in a commercial VGF growth setup equipped with a single-crucible HMM and a newly designed VGF setup with a multi-crucible HMM. The impact of the Lorentz force driven melt flow on the shape of the solid-liquid interface was analyzed in a TMF parameter study on frequency, phase shift, and current. With the application of suitable double-frequency TMF during growth, the interface deflection was reduced by about 30% and crucible contact angles increased within the order of 10%, compared to reference crystals grown without TMF. Synergy effects of TMF application on process intensification approaches scale-up, speed-up, and numbering-up were successfully shown. Two 4” VGF-GaAs:Si single crystals were simultaneously grown under the influence of a TMF in the multi-crucible HMM. With TMF application changing structural and electronic properties as well as micro- and macrosegregation were investigated on Si-doped VGF-GaAs single crystals. Striations were observed in crystals grown without or too strong TMF. Almost no micro-inhomogeneities were detected when the magnetic flux densities of the TMF were matched to the progression of solidification. Facets lengths in the crystal cone were found to be more stable with applied TMF. Further, the combined optimization of the conventional thermal setup and a reduction of the interface deflection with TMF application significantly reduced dislocation densities inside the crystals. An average EPD value around 100 cm-2 was obtained for GaAs:Si growth with a growth-matched double-frequency TMF and applied BN susceptor in the single-crucible VGF setup.

Strontiumtitanat ist ein häufig untersuchtes Oxidmaterial, mit einem breiten Anwen- dungsgebiet z.B. in der Photokatalyse oder auch als Substratmaterial beim Wachstum ande- rer Oxidschichten. Dabei spielen chemische Prozesse an der Oberfläche eine herausragende Rolle, deren Kenntnis für eine tieferes Verständnis der genannten Anwendungen unentbehrlich ist. Darüberhinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass diese Oberflächenprozesse sehr stark, u.a. von Wasserstoff und Wasser beeinflußt werden. Sowohl wegen der Relevanz als auch wegen der technischen Machbarkeit, stellt eine Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie einen natürlichen Ausgangspunkt dar, um genaue Einblicke in die Prozesse auf der Oberfläche auf atomare Ebene zu gewinnen. Bei der Adsorption des Sauerstoffs und des Wassers ist gleichermaßen auffällig, dass die Bindungsenergien sehr stark durch langreichweitige Verzerrungen im Substratgitter beeinflußt werden, welche damit eine effektive repulsive Wechselwirkung der adsorbierten Spezies bewirken. Adsorbierte Sauerstoffatome bilden mit jeweils einem Sauerstoffatom des Subtrats ein „Quasi-Peroxid-anion“, wodurch das adsorbierte Sauerstoffatom einen Gitterplatz einnimmt, der nicht einem Sauerstoffplatz des Perovskitgitters entspricht. Im Gegensatz dazu wurden bei allen untersuchten atomaren Konfigurationen, die Wasser und Hydroxylgruppen enthielten, beobachtet, dass sich hier die adsorbierten Sauerstoffatome an den Plätzen des forgesetzten Perovskitgitters befinden. Bemerkenswert ist die spontane Dissoziation und Bildung eines Hydroxylpaares auf der Strontiumoxidterminierung während des Adsorption des Wassermoleküls. Auf der Titandioxidterminierung hingegen werden abhängig von der Bedeckung Wassermoleküle und Hydroxylgruppen beobachtet. Die Energetik, die diesem Verhalten zugrunde liegt, zeigt sehr gute Übereinstimmung mit den experimen- tellen Beobachtungen von Iwahori und Kollegen., Strontium titanate is an extensively studied material with a wide range of application, for instance in photo-catalysis and most importantly, it is used as a substrate in growth of functional oxides. The surface chemistry is crucial and hence understanding the surface structure on atomic scale is essential for gaining insight into the fundamental processes in the aforementioned applications. Moreover, there exist a lot of evidence that this surface chemistry might be controlled to considerably by extrinsic species, such as residual hydrogen and water. Investigating the properties of water and oxygen on the strontium titanate surface is certainly a natural starting point for a theoretical study based on density functional theory, because these species are practically present on the surface on a wide range of experimental conditions and they are computationally feasible. For the oxygen and water adsorption the binding energy is controlled by long-range surface relaxations leading to an effective repulsion of the adsorbed specimen. The isolated oxygen ad-atom forms a covalently bonded “quasi-peroxide anion” in combination with a lattice oxygen atom. Contrariwise, in all investigated configurations containing water molecules and hydroxyl groups, the respective oxygen atoms assumed positions close to the oxygen sites of the continued perovskite lattice of the substrate. Most remarkably, on the strontium oxide termination, the water molecules adsorbs and dissociates effortlessly leading to the formation of a pair of hydroxyl groups. For the titanium dioxide termination, a coverage dependent adsorption mode is observed. Densely packings stabilize water molecules, whereas at lower coverage and finite temperatures the formation of hydroxyl groups is found. The energetics responsible for this behavior is consistent with recent experiments by Iwahori and coworkers.

Strontiumtitanat ist ein häufig untersuchtes Oxidmaterial, mit einem breiten Anwen- dungsgebiet z.B. in der Photokatalyse oder auch als Substratmaterial beim Wachstum ande- rer Oxidschichten. Dabei spielen chemische Prozesse an der Oberfläche eine herausragende Rolle, deren Kenntnis für eine tieferes Verständnis der genannten Anwendungen unentbehrlich ist. Darüberhinaus gibt es deutliche Hinweise darauf, dass diese Oberflächenprozesse sehr stark, u.a. von Wasserstoff und Wasser beeinflußt werden. Sowohl wegen der Relevanz als auch wegen der technischen Machbarkeit, stellt eine Untersuchung des Adsorptionsverhaltens von Sauerstoff und Wasserstoff mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie einen natürlichen Ausgangspunkt dar, um genaue Einblicke in die Prozesse auf der Oberfläche auf atomare Ebene zu gewinnen. Bei der Adsorption des Sauerstoffs und des Wassers ist gleichermaßen auffällig, dass die Bindungsenergien sehr stark durch langreichweitige Verzerrungen im Substratgitter beeinflußt werden, welche damit eine effektive repulsive Wechselwirkung der adsorbierten Spezies bewirken. Adsorbierte Sauerstoffatome bilden mit jeweils einem Sauerstoffatom des Subtrats ein „Quasi-Peroxid-anion“, wodurch das adsorbierte Sauerstoffatom einen Gitterplatz einnimmt, der nicht einem Sauerstoffplatz des Perovskitgitters entspricht. Im Gegensatz dazu wurden bei allen untersuchten atomaren Konfigurationen, die Wasser und Hydroxylgruppen enthielten, beobachtet, dass sich hier die adsorbierten Sauerstoffatome an den Plätzen des forgesetzten Perovskitgitters befinden. Bemerkenswert ist die spontane Dissoziation und Bildung eines Hydroxylpaares auf der Strontiumoxidterminierung während des Adsorption des Wassermoleküls. Auf der Titandioxidterminierung hingegen werden abhängig von der Bedeckung Wassermoleküle und Hydroxylgruppen beobachtet. Die Energetik, die diesem Verhalten zugrunde liegt, zeigt sehr gute Übereinstimmung mit den experimen- tellen Beobachtungen von Iwahori und Kollegen., Strontium titanate is an extensively studied material with a wide range of application, for instance in photo-catalysis and most importantly, it is used as a substrate in growth of functional oxides. The surface chemistry is crucial and hence understanding the surface structure on atomic scale is essential for gaining insight into the fundamental processes in the aforementioned applications. Moreover, there exist a lot of evidence that this surface chemistry might be controlled to considerably by extrinsic species, such as residual hydrogen and water. Investigating the properties of water and oxygen on the strontium titanate surface is certainly a natural starting point for a theoretical study based on density functional theory, because these species are practically present on the surface on a wide range of experimental conditions and they are computationally feasible. For the oxygen and water adsorption the binding energy is controlled by long-range surface relaxations leading to an effective repulsion of the adsorbed specimen. The isolated oxygen ad-atom forms a covalently bonded “quasi-peroxide anion” in combination with a lattice oxygen atom. Contrariwise, in all investigated configurations containing water molecules and hydroxyl groups, the respective oxygen atoms assumed positions close to the oxygen sites of the continued perovskite lattice of the substrate. Most remarkably, on the strontium oxide termination, the water molecules adsorbs and dissociates effortlessly leading to the formation of a pair of hydroxyl groups. For the titanium dioxide termination, a coverage dependent adsorption mode is observed. Densely packings stabilize water molecules, whereas at lower coverage and finite temperatures the formation of hydroxyl groups is found. The energetics responsible for this behavior is consistent with recent experiments by Iwahori and coworkers.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Züchtung von mikrokristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen. Da Glas ein amorphes Material ist, können konventionelle Epitaxietechniken nicht angewendet werden. Im untersuchten Wachstumsprozess werden zunächst Silicium-Saatkristallite durch Anwendung des Vapor-Liquid-Solid Verfahrens abgeschieden. Als Lösungsmittel kommt Indium zum Einsatz. Die so erzeugten Kristallite werden anschließend mittels stationärer Lösungszüchtung vergrößert. Bei der Apparatur handelt es sich um einen Prototypen im Labormaßstab, welcher aus einer vertikalen Anordnung eines Sättigungssubstrates und des Lösungsmittels (Indium) besteht. Ein Temperaturgradient bewirkt gleichzeitig eine ausreichende Übersättigung der Nährlösung sowie konvektiven Stofftransport zum oben befindlichen Züchtungssubstrat. Die chemische Stabilität verschiedener Zwischenschichten wurde durch Berechnungen im ternären Stoffsystem Molybdän, Silicium und Indium betrachtet. Darauf basierend erfolgte die Präparation von MoSi2 auf Glas durch Temperung alternierender Molybdän-Silicium Schichtpakete. Die Stabilität dieser Schichten im Kontakt mit Silicium gesättigter Züchtungslösung konnte experimentell nachgewiesen werden. Die anschließende Untersuchung des Vapor-Liquid-Solid Prozesses auf MoSi2-Schichten zeigte eine signifikante Anhängigkeit von den Parametern der Schichtpräparation sowie der Substrattemperatur während der Lösungsmittelverdampfung. Saatkristallite wurden mittels stationärer Lösungszüchtung ausgewachsen und das gezüchtete Material bezüglich Kristallinität, Orientierung und Reinheit charakterisiert. Zusätzlich standen Untersuchungen zur Morphologie im Vordergrund. Die prinzipielle Anwendbarkeit des Prozesses zur Abscheidung von mikrokristallinem Silicium auf Glas konnte nachgewiesen werden. Allerdings verbleiben Limitierungen bezüglich des erreichbaren Bedeckungsgrades sowie der Größe unter stabilen Bedingungen gewachsener Silicium Kristallite., This work deals with low-temperature solution growth of micro-crystalline silicon on glass. As glass is an amorphous material, conventional epitaxy is not applicable. Therefore, growth is conducted in a two-step process. The first step aims at the spatial arrangement of silicon seed crystals, which is realized by means of vapor-liquid-solid processing using indium as solvent. Seed crystals are afterwards enlarged by applying a specially developed steady-state solution growth apparatus. This laboratory prototype consists of a vertical stack of a silicon feeding source and the solvent (indium). A temperature gradient between feeding source and growth substrate at the top promotes both, supersaturation and material transport by solvent convection. To ensure thermodynamic stability of all materials involved during steady-state solution growth, the ternary phase equilibrium between molybdenum, indium and silicon at 600°C was considered. Based on the obtained results, the use of molybdenum disilicide as conductive coating material is proposed. MoSi2 thin films on glass are shown to resist solution contact. Subsequent investigation of feasibility of the vapor-liquid-solid mechanism revealed the success of indium microdroplet formation to be determined by both, the multilayer deposition parameters and the substrate temperature during indium deposition. Steady-state solution growth at 610°C was utilized to enlarge silicon seed crystals to diameters of up to 200 micrometer. The grown material has been subject of characterization regarding the crystallinity, orientation and purity. Additionally, morphological anomalies are considered. The feasibility of the process for growth of microcrystalline silicon on glass has been shown in principle. Nevertheless, limitations exist regarding the achievable crystalline solidity ratio and the size of crystallites grown under stable conditions.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Züchtung von mikrokristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen. Da Glas ein amorphes Material ist, können konventionelle Epitaxietechniken nicht angewendet werden. Im untersuchten Wachstumsprozess werden zunächst Silicium-Saatkristallite durch Anwendung des Vapor-Liquid-Solid Verfahrens abgeschieden. Als Lösungsmittel kommt Indium zum Einsatz. Die so erzeugten Kristallite werden anschließend mittels stationärer Lösungszüchtung vergrößert. Bei der Apparatur handelt es sich um einen Prototypen im Labormaßstab, welcher aus einer vertikalen Anordnung eines Sättigungssubstrates und des Lösungsmittels (Indium) besteht. Ein Temperaturgradient bewirkt gleichzeitig eine ausreichende Übersättigung der Nährlösung sowie konvektiven Stofftransport zum oben befindlichen Züchtungssubstrat. Die chemische Stabilität verschiedener Zwischenschichten wurde durch Berechnungen im ternären Stoffsystem Molybdän, Silicium und Indium betrachtet. Darauf basierend erfolgte die Präparation von MoSi2 auf Glas durch Temperung alternierender Molybdän-Silicium Schichtpakete. Die Stabilität dieser Schichten im Kontakt mit Silicium gesättigter Züchtungslösung konnte experimentell nachgewiesen werden. Die anschließende Untersuchung des Vapor-Liquid-Solid Prozesses auf MoSi2-Schichten zeigte eine signifikante Anhängigkeit von den Parametern der Schichtpräparation sowie der Substrattemperatur während der Lösungsmittelverdampfung. Saatkristallite wurden mittels stationärer Lösungszüchtung ausgewachsen und das gezüchtete Material bezüglich Kristallinität, Orientierung und Reinheit charakterisiert. Zusätzlich standen Untersuchungen zur Morphologie im Vordergrund. Die prinzipielle Anwendbarkeit des Prozesses zur Abscheidung von mikrokristallinem Silicium auf Glas konnte nachgewiesen werden. Allerdings verbleiben Limitierungen bezüglich des erreichbaren Bedeckungsgrades sowie der Größe unter stabilen Bedingungen gewachsener Silicium Kristallite., This work deals with low-temperature solution growth of micro-crystalline silicon on glass. As glass is an amorphous material, conventional epitaxy is not applicable. Therefore, growth is conducted in a two-step process. The first step aims at the spatial arrangement of silicon seed crystals, which is realized by means of vapor-liquid-solid processing using indium as solvent. Seed crystals are afterwards enlarged by applying a specially developed steady-state solution growth apparatus. This laboratory prototype consists of a vertical stack of a silicon feeding source and the solvent (indium). A temperature gradient between feeding source and growth substrate at the top promotes both, supersaturation and material transport by solvent convection. To ensure thermodynamic stability of all materials involved during steady-state solution growth, the ternary phase equilibrium between molybdenum, indium and silicon at 600°C was considered. Based on the obtained results, the use of molybdenum disilicide as conductive coating material is proposed. MoSi2 thin films on glass are shown to resist solution contact. Subsequent investigation of feasibility of the vapor-liquid-solid mechanism revealed the success of indium microdroplet formation to be determined by both, the multilayer deposition parameters and the substrate temperature during indium deposition. Steady-state solution growth at 610°C was utilized to enlarge silicon seed crystals to diameters of up to 200 micrometer. The grown material has been subject of characterization regarding the crystallinity, orientation and purity. Additionally, morphological anomalies are considered. The feasibility of the process for growth of microcrystalline silicon on glass has been shown in principle. Nevertheless, limitations exist regarding the achievable crystalline solidity ratio and the size of crystallites grown under stable conditions.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung von Silizium- und Germanium-Nanodrähten. Diese Strukturen gelten als aussichtsreiche Komponenten für zukünftige Bauelemente. Für die Anwendung ist die genaue Kenntnis der Größe, der kristallographischen Orientierung und der Position der Nanodrähte erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung von Si- und Ge-Nanodrähten im Hinblick auf ihre Größe, Orientierung und Position. Die Herstellung erfolgte durch Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) im Ultrahochvakuum nach dem Vapor-Liquid-Solid (VLS)-Verfahren, das auf dem Wachstum aus Lösungsmitteltröpfchen basiert. Die Größe der Nanodrähte konnte im Falle von Silizium auf Si(111) mit Gold als Lösungsmittel durch die Parameter des Experiments reproduzierbar bestimmt werden. Höhere Goldbedeckung und höhere Substrattemperaturen führten zu Tröpfchen mit größerem Duchmesser und somit zu dickeren Drähten. Längere Si-Verdampfungszeiten und höhere Si-Verdampfungsraten führten zu längeren Drähten. Dünnere Drähte wuchsen schneller als dickere. Als zweites Lösungsmittel wurde Indium untersucht, da es sich im Vergleich zu Gold nicht nachteilig auf die elektronischen Eigenschaften von Silizium auswirkt. Basierend auf den Ergebnissen zur Tröpfchenbildung konnten die besseren Wachstumsresultate mit Gold erklärt werden. Germanium-Nanodrähte, die aus Goldtröpfchen auf Ge(111) gezüchtet wurden, zeigten im Gegensatz zu den Si-Nanodrähten nicht die kristallographische [111]-Orientierung des Substrates, sondern eine -Orientierung, was durch Berechnungen von Keimbildungsenergien auf verschiedenen Kristallflächen erklärt werden konnte. Zur Anordnung von Metalltröpfchen und damit von Nanodrähten wurden Substrate mithilfe von fokussierten Ionenstrahlen (FIB) vorstrukturiert, um die Tröpfchenbildung an bestimmten Stellen zu begünstigen. Es gelang, aus angeordneten Goldtröpfchen epitaktisch gewachsene Si- und Ge-Nanodrähte zu züchten., This dissertation deals with the growth and the characterization of silicon and germanium nanowhiskers, also called nanorods or nanowires. The investigation of these structures is of great interest as they represent promising building blocks for future electronic devices. With regard to a possible application, the knowledge of size, crystallographic orientation and position of the nanowhiskers is essential. The purpose of this work was, therefore, to investigate the growth of Si and Ge nanowhiskers with regard to their size, orientation and position. The nanowhiskers were grown via physical vapor deposition (PVD) in ultra-high vacuum using the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism which is based on growth from solution droplets. The size of the nanowhiskers could be reproducibly determined by the experimental parameters in the case of Si nanowhiskers on Si(111) with gold as the solvent. A higher gold coverage as well as a higher substrate temperature led to larger droplet diameters and thus to thicker whiskers. A longer silicon evaporation time and a higher silicon rate led to longer whiskers. Thinner whiskers grew faster than thicker ones. A second material used as the solvent was indium as it is more suitable for electronic application compared to gold. Based on results of droplet formation of the two solvents on silicon, the better results of whisker growth using gold could be explained. Ge nanowhiskers grown from gold droplets on Ge(111) did not show the [111] orientation of the substrate as in the case of Si nanowhiskers on Si(111) but a orientation. By calculating nucleation energies on different crystal facets, the experimental findings could be explained. To position nanodroplets of the solvent material and thus to obtain a regular arrangement of nanowhiskers, substrates were pre-structured with nanopores by focused ion beams (FIB). Silicon and germanium nanowhiskers could be epitaxially grown from ordered arrays of gold droplets.

In dieser Arbeit wurden Segregationen, die bei der Z"uchtung einkristalliner Fasern von Oxidmischkristallsystemen mittels der Micro-Pulling-Down Methode auftreten, experimentell und theoretisch untersucht. Dazu wurden Fasern von hochschmelzenden Oxidmischkristallsystemen mit unterschiedlichen Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten gezüchtet. Es wurde gezeigt, dass die Dotierstoffprofil von dem Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten, der Ziehgeschwindigkeit, dem Sauerstoffpartialdruck der Züchtungsatmosphäre sowie der Meniskushöhe abhängt. Ein analytisches und ein numerisches Modell wurden erstellt um den Segregationsprozess zu beschreiben. Ein Modell basierend auf der irreversiblen Thermodynamik wurde zur Berechnung der Thermodiffusionskoeffizienten mittels Enthalpie und Entropie hergeleitet. Ausserdem wurden mechanische Spannungen, die durch die Segregationen erzeugt werden, untersucht. LiYF4 wurde erfolgreich gezüchtet. Für diesen Fall wurde die Notwendigkeit einer reinen Züchtungsatmosphäre sowie eines reinen Ausgangsmaterials in Bezug auf Wasser- und Sauerstoffverunreinigungen, gezeigt., Within this study segregations, which occur during micro-pulling-down growth of single-crystal fibers of oxide solid solutions, have been analyzed in an experimental and theoretical manner. Single-crystal fibers of high melting point oxide solid solutions with different equilibrium distribution coefficient have been grown. It has been shown, that the dopant distribution depends on the equilibrium distribution coefficient of the dopant, the pulling speed, the oxygen partial pressure of the growth atmosphere and the meniscus height. An analytical and a numerical model have been established to describe the segregation process. A theoretical model based on irreversible thermodynamics to calculate the thermodiffusion factors using the enthalpy and entropy was derived. Also mechanical stresses induced by the segregation have been analyzed. LiYF4 has been grown successfully. In this case the necessity of a very high purity atmosphere and source material in terms of water and oxygen trace impurities has been shown.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung von Silizium- und Germanium-Nanodrähten. Diese Strukturen gelten als aussichtsreiche Komponenten für zukünftige Bauelemente. Für die Anwendung ist die genaue Kenntnis der Größe, der kristallographischen Orientierung und der Position der Nanodrähte erforderlich. Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung von Si- und Ge-Nanodrähten im Hinblick auf ihre Größe, Orientierung und Position. Die Herstellung erfolgte durch Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) im Ultrahochvakuum nach dem Vapor-Liquid-Solid (VLS)-Verfahren, das auf dem Wachstum aus Lösungsmitteltröpfchen basiert. Die Größe der Nanodrähte konnte im Falle von Silizium auf Si(111) mit Gold als Lösungsmittel durch die Parameter des Experiments reproduzierbar bestimmt werden. Höhere Goldbedeckung und höhere Substrattemperaturen führten zu Tröpfchen mit größerem Duchmesser und somit zu dickeren Drähten. Längere Si-Verdampfungszeiten und höhere Si-Verdampfungsraten führten zu längeren Drähten. Dünnere Drähte wuchsen schneller als dickere. Als zweites Lösungsmittel wurde Indium untersucht, da es sich im Vergleich zu Gold nicht nachteilig auf die elektronischen Eigenschaften von Silizium auswirkt. Basierend auf den Ergebnissen zur Tröpfchenbildung konnten die besseren Wachstumsresultate mit Gold erklärt werden. Germanium-Nanodrähte, die aus Goldtröpfchen auf Ge(111) gezüchtet wurden, zeigten im Gegensatz zu den Si-Nanodrähten nicht die kristallographische [111]-Orientierung des Substrates, sondern eine -Orientierung, was durch Berechnungen von Keimbildungsenergien auf verschiedenen Kristallflächen erklärt werden konnte. Zur Anordnung von Metalltröpfchen und damit von Nanodrähten wurden Substrate mithilfe von fokussierten Ionenstrahlen (FIB) vorstrukturiert, um die Tröpfchenbildung an bestimmten Stellen zu begünstigen. Es gelang, aus angeordneten Goldtröpfchen epitaktisch gewachsene Si- und Ge-Nanodrähte zu züchten., This dissertation deals with the growth and the characterization of silicon and germanium nanowhiskers, also called nanorods or nanowires. The investigation of these structures is of great interest as they represent promising building blocks for future electronic devices. With regard to a possible application, the knowledge of size, crystallographic orientation and position of the nanowhiskers is essential. The purpose of this work was, therefore, to investigate the growth of Si and Ge nanowhiskers with regard to their size, orientation and position. The nanowhiskers were grown via physical vapor deposition (PVD) in ultra-high vacuum using the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism which is based on growth from solution droplets. The size of the nanowhiskers could be reproducibly determined by the experimental parameters in the case of Si nanowhiskers on Si(111) with gold as the solvent. A higher gold coverage as well as a higher substrate temperature led to larger droplet diameters and thus to thicker whiskers. A longer silicon evaporation time and a higher silicon rate led to longer whiskers. Thinner whiskers grew faster than thicker ones. A second material used as the solvent was indium as it is more suitable for electronic application compared to gold. Based on results of droplet formation of the two solvents on silicon, the better results of whisker growth using gold could be explained. Ge nanowhiskers grown from gold droplets on Ge(111) did not show the [111] orientation of the substrate as in the case of Si nanowhiskers on Si(111) but a orientation. By calculating nucleation energies on different crystal facets, the experimental findings could be explained. To position nanodroplets of the solvent material and thus to obtain a regular arrangement of nanowhiskers, substrates were pre-structured with nanopores by focused ion beams (FIB). Silicon and germanium nanowhiskers could be epitaxially grown from ordered arrays of gold droplets.

In dieser Arbeit wurden Segregationen, die bei der Z"uchtung einkristalliner Fasern von Oxidmischkristallsystemen mittels der Micro-Pulling-Down Methode auftreten, experimentell und theoretisch untersucht. Dazu wurden Fasern von hochschmelzenden Oxidmischkristallsystemen mit unterschiedlichen Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten gezüchtet. Es wurde gezeigt, dass die Dotierstoffprofil von dem Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten, der Ziehgeschwindigkeit, dem Sauerstoffpartialdruck der Züchtungsatmosphäre sowie der Meniskushöhe abhängt. Ein analytisches und ein numerisches Modell wurden erstellt um den Segregationsprozess zu beschreiben. Ein Modell basierend auf der irreversiblen Thermodynamik wurde zur Berechnung der Thermodiffusionskoeffizienten mittels Enthalpie und Entropie hergeleitet. Ausserdem wurden mechanische Spannungen, die durch die Segregationen erzeugt werden, untersucht. LiYF4 wurde erfolgreich gezüchtet. Für diesen Fall wurde die Notwendigkeit einer reinen Züchtungsatmosphäre sowie eines reinen Ausgangsmaterials in Bezug auf Wasser- und Sauerstoffverunreinigungen, gezeigt., Within this study segregations, which occur during micro-pulling-down growth of single-crystal fibers of oxide solid solutions, have been analyzed in an experimental and theoretical manner. Single-crystal fibers of high melting point oxide solid solutions with different equilibrium distribution coefficient have been grown. It has been shown, that the dopant distribution depends on the equilibrium distribution coefficient of the dopant, the pulling speed, the oxygen partial pressure of the growth atmosphere and the meniscus height. An analytical and a numerical model have been established to describe the segregation process. A theoretical model based on irreversible thermodynamics to calculate the thermodiffusion factors using the enthalpy and entropy was derived. Also mechanical stresses induced by the segregation have been analyzed. LiYF4 has been grown successfully. In this case the necessity of a very high purity atmosphere and source material in terms of water and oxygen trace impurities has been shown.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Wurtzit M-plane (In,Ga)N(1-100)-Heterostrukturen auf g-LiAlO2(100) mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, und optischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen werden untersucht. Ferner werden M-plane (In,Ga)N/GaN Multiquantenwells (MQWs) hergestellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Schließlich wird der Einbau von Mg in M-plane GaN untersucht, um p-Typ-Leitfähigkeit zu erreichen. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung bezüglich der Verspannung und der elektrostatischen Polarisation in Nitriden. Die Motivation fuer das Wachstum in [1-100]-Richtung anstatt in der konventionellen [0001]-Richtung ist, dass die GaN(1-100)-Flaeche nichtpolar ist, da sie aus einer gleichen Anzahl dreifach koordinierter Ga- und N-Atome aufgebaut ist. GaN ist überdies nicht piezoelektrisch in der [1-100]-Richtung. Das daraus folgende Fehlen elektrostatischer Felder in dieser Richtung stellt einen klaren Vorteil für die Leistung von GaN-basierenden hocheffizienten Leuchtdioden (LEDs) dar. Entsprechende [0001]-orientierte Strukturen, die auf konventionellen Substraten wie Al2O3 und SiC abgeschieden werden, leiden unter einer verringerten Effizienz durch die Präsenz der spontanen und piezoelektrischen Polarisation in dieser Wachstumsrichtung. Die Eigenschaften des Substrats LiAlO2 in Bezug auf das MBE-Wachstum werden anschliessend diskutiert. Es wird gezeigt, daß die thermische Stabilität von LiAlO2 fuer das MBE-Wachstum von Heterostrukturen geeignet ist. Die Polaritaet von LiAlO2 hat einen entscheidenden Einfluß auf die Phasenreinheit der GaN-Filme, und die Wahl der richtigen Polaritaet ist Voraussetzung fuer die Herstellung von einphasigen M-plane GaN-Schichten. In Kapitel 4 wird der Einfluß der Nukleationsbedingungen auf die strukturellen und morphologischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen systematisch untersucht. Ferner wir, In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite M-plane (In,Ga)N(1-100) heterostructures on g-LiAlO2(100) by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, and optical doping properties of M-plane GaN. Furthermore, we fabricate M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells and investigate their structural and optical properties. Finally, the incorporation of Mg in $M$-plane GaN is studied to achieve p-type conductivity. We start by giving an introduction concerning strain and electrostatic polarization fields. The motivation of growth along the [1-100] direction, instead of along the conventional [0001] direction is presented. The GaN(1-100) plane is nonpolar since it is composed of equal numbers of three-fold coordinated Ga and N atoms. Furthermore, GaN is not piezoelectrically active along the [1-100] direction. The resulting absence of electrostatic fields in this direction constitutes a distinct advantage for fabricating high-efficiency light-emitting diodes(LEDs). Corresponding [0001]-oriented structures grown on conventional substrates such as Al2O3(0001) and SiC(0001), suffer from a degradation of luminescence efficiency by the presence of both spontaneous and piezoelectric polarization along the growth direction. The properties of the LiAlO2 substrate with respect to MBE growth are discussed next. The thermal stability of LiAlO2 is demonstrated to be suitable for MBE-growth of heterostructures. The polarity of LiAlO2 is found to have a crucial influence on the phase-purity of the GaN films. The synthesis of pure M-plane GaN is preferentially achieved on one face of the substrate. The impact of nucleation conditions on the structural and morphological properties of M-plane GaN films is systematically investigated. Furthermore, a comprehensive study of Ga adsorption and desorption on the M-plane is presented. Optimum growth conditions are established, and high quality M-plane Ga

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Wurtzit M-plane (In,Ga)N(1-100)-Heterostrukturen auf g-LiAlO2(100) mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, und optischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen werden untersucht. Ferner werden M-plane (In,Ga)N/GaN Multiquantenwells (MQWs) hergestellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Schließlich wird der Einbau von Mg in M-plane GaN untersucht, um p-Typ-Leitfähigkeit zu erreichen. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung bezüglich der Verspannung und der elektrostatischen Polarisation in Nitriden. Die Motivation fuer das Wachstum in [1-100]-Richtung anstatt in der konventionellen [0001]-Richtung ist, dass die GaN(1-100)-Flaeche nichtpolar ist, da sie aus einer gleichen Anzahl dreifach koordinierter Ga- und N-Atome aufgebaut ist. GaN ist überdies nicht piezoelektrisch in der [1-100]-Richtung. Das daraus folgende Fehlen elektrostatischer Felder in dieser Richtung stellt einen klaren Vorteil für die Leistung von GaN-basierenden hocheffizienten Leuchtdioden (LEDs) dar. Entsprechende [0001]-orientierte Strukturen, die auf konventionellen Substraten wie Al2O3 und SiC abgeschieden werden, leiden unter einer verringerten Effizienz durch die Präsenz der spontanen und piezoelektrischen Polarisation in dieser Wachstumsrichtung. Die Eigenschaften des Substrats LiAlO2 in Bezug auf das MBE-Wachstum werden anschliessend diskutiert. Es wird gezeigt, daß die thermische Stabilität von LiAlO2 fuer das MBE-Wachstum von Heterostrukturen geeignet ist. Die Polaritaet von LiAlO2 hat einen entscheidenden Einfluß auf die Phasenreinheit der GaN-Filme, und die Wahl der richtigen Polaritaet ist Voraussetzung fuer die Herstellung von einphasigen M-plane GaN-Schichten. In Kapitel 4 wird der Einfluß der Nukleationsbedingungen auf die strukturellen und morphologischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen systematisch untersucht. Ferner wir, In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite M-plane (In,Ga)N(1-100) heterostructures on g-LiAlO2(100) by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, and optical doping properties of M-plane GaN. Furthermore, we fabricate M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells and investigate their structural and optical properties. Finally, the incorporation of Mg in $M$-plane GaN is studied to achieve p-type conductivity. We start by giving an introduction concerning strain and electrostatic polarization fields. The motivation of growth along the [1-100] direction, instead of along the conventional [0001] direction is presented. The GaN(1-100) plane is nonpolar since it is composed of equal numbers of three-fold coordinated Ga and N atoms. Furthermore, GaN is not piezoelectrically active along the [1-100] direction. The resulting absence of electrostatic fields in this direction constitutes a distinct advantage for fabricating high-efficiency light-emitting diodes(LEDs). Corresponding [0001]-oriented structures grown on conventional substrates such as Al2O3(0001) and SiC(0001), suffer from a degradation of luminescence efficiency by the presence of both spontaneous and piezoelectric polarization along the growth direction. The properties of the LiAlO2 substrate with respect to MBE growth are discussed next. The thermal stability of LiAlO2 is demonstrated to be suitable for MBE-growth of heterostructures. The polarity of LiAlO2 is found to have a crucial influence on the phase-purity of the GaN films. The synthesis of pure M-plane GaN is preferentially achieved on one face of the substrate. The impact of nucleation conditions on the structural and morphological properties of M-plane GaN films is systematically investigated. Furthermore, a comprehensive study of Ga adsorption and desorption on the M-plane is presented. Optimum growth conditions are established, and high quality M-plane Ga