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 wird die Ga-Adsorption und -Desorption ausführlich untersucht. Optimale Wachstumsbedingungen werden etabliert, die es ermoeglichen, M-plane-GaN-Schichten hoher Qualitaet reproduzierbar zu erhalten. Die Mikrostruktur der M-plane-GaN-Schichten, untersucht mittels Transmissionselektronenmikroskopie, ist durch eine hohe Dichte an Stapelfehlern als dominierenden Defekt gekennzeichnet. Vollstaendige Fadenversetzungen, die die dominanten Defekte in C-plane GaN sind, werden dagegen nicht beobachtet. Die Korrelation zwischen den Stapelfehlern und den optischen Eigenschaften der Films wird untersucht. Eine intensive Emissionslinie wird in Tieftemperatur-Photolumineszenzspektren beobachtet, die an Stapelfehlern gebundenen Exzitonen zugeordnet wird. In Kapitel 6 wird die erfolgreiche Synthese von M-plane-(In,Ga)N/GaN-MQWs beschrieben. Das Zusammensetzungsprofil dieser Strukturen wird mittels Roentgendiffraktometrie und Sekundaerionenmassenspektrometrie untersucht. Die Ergebnisse belegen eine betraechtliche Oberflaechensegregation von In, die zu einem erniedrigten In-Gehalt sowie stark verbreiterten Quantenwells führt. Der erhaltene In-Gehalt von 7% ist niedriger als derjenige (15%), der in entsprechenden C-plane-Strukturen gefunden wird, die unter identischen Bedingungen hergesellt wurden. Dieses Resultat deutet auf eine niedrigere Einbaueffizienz von In auf (1-100) verglichen mit (0001) hin. Die Abhaengigkeit der Übergangsenergien von der Quantenwellbreite dieser M-plane-MQWs belegt die Abwesenheit interner elektrostatischer Felder entlang der Wachstumsrichtung. Die Rekombinationsdynamik in diesen MQWs wird im Detail untersucht. Sie ist stark von lokalisierten Zuständen beeinflußt. Im Gegensatz zu C-plane-Strukturen, wird in diesen M-plane MQWs eine starke Polarisation der spontanen Emission in der Filmebene mit einem energieabhängigen Polarisationsgrad von bis zu 96% beobachtet. In Kapitel 7 wird der Einfluß der Wachstumstemperatur und der Stoechiometrie auf den Mg-Einbau in GaN(1-100) zur p-Dotierung untersucht. Eine Mg-Konzentration bis zu 8×1020 cm-3 kann in M-plane-GaN-Schichten ohne beobachtbare Degradation der Kristallqualität erreicht werden. Es wird sowohl eine Diffusion als auch eine Segregation von Mg in M-plane GaN beobachtet. Zusaetzlich wird eine ausgepraegte Abhaengigkeit des O-Einbaus von der Mg-Dotierung beobachtet, was auf die hohe Reaktivitaet von Mg mit O zurückgeführt wird. Sowohl optische als auch elektrische Messungen weisen darauf hin, daß Mg in diesen M-plane GaN-Schichten als Akzeptor eingebaut wird. / 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 GaN can be obtained reproducibly. Concerning the microstructure of our M-plane GaN layers, stacking faults are found by transmission electron microscopy (TEM) to be the dominant defects, while perfect threading dislocations, which are the dominant defects (108-1010 cm-2) in C-plane GaN, are not observed by TEM. The correlation between the stacking faults and the optical properties of the films is explored. A strong transition from excitons bound to stacking faults is observed by low temperature photoluminescence measurements. The successful synthesis of M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells (MQWs) is demonstrated. The composition profiles of these structures are investigated by both x-ray diffractometry and secondary ion-mass spectrometry. The results reveal significant In surface segregation, resulting in a reduced In content and much wider wells than intended. The resulting In content of ~7% is lower than that obtained (~15%) for corresponding C-plane structures grown under identical conditions, suggesting a lower In incorporation efficiency on the (1-100) plane compared to the (0001) plane. The dependence of the transition energies on the well thickness of these M-plane quantum wells evidences the absence of internal electrostatic fields along this growth direction. The recombination dynamics in these MQWs is investigated in detail, and is found to be strongly influenced by localized states. Furthermore, in contrast to C-plane (0001) structures, a strong in-plane anisotropy of the spontaneous emission with an energy-dependent polarization degree of up to 96% is observed in the M-plane (In,Ga)N/GaN MQWs. Finally, the impact of the growth temperature and stoichiometry on the Mg incorporation in GaN(1-100) is investigated. Mg doping levels up to 8×1020 cm-3 can be obtained in M-plane GaN, with no observed degradation in crystal quality. Both Mg diffusion and surface segregation in M-plane GaN are observed. In addition, a pronounced dependence of the O incorporation on the Mg doping is observed, and attributed to the high reactivity of Mg with O. Both optical and electrical measurements indicate that Mg acts as an acceptor in the Mg-doped M-plane layers.

Dichte 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. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.

Die vorliegende Arbeit beschaeftigt sich mit dem strukturellen Aufbau von (1-100) M-plane GaN, das mit plasmaunterstuetzter Molekularstrahlepitaxie auf gamma-LiAlO2(100) Substraten gewachsen wurde. Die heteroepitaktische Ausrichtung einerseits, sowie die Mikrostruktur und die Erzeugungsmechanismen der Defekte andererseits, wurde mit der Transmissionselektronenemikroskopie (TEM) systematisch untersucht. Das gamma-LiAlO2 Substrat reagiert heftig im Mikroskop unter Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen. Waehrend dieser Strahlenschaedigung verliert das Material seine urspruengliche kristalline Struktur und vollzieht eine Phasentransformation, die anhand einer Serie von Feinbereichsbeugungsdiagrammen nachgewiesen werden konnte. Die atomare Grenzflaechenstruktur zwischen epitaktisch gewachsenem alpha-GaN(1-100) und tetragonalem gamma-LiAlO2 Substrat ist mittels HRTEM untersucht worden. Die neuartige Epitaxiebeziehung ist mit Elektronenbeugung bestaetigt worden und lautet folgendermassen: (1-100)GaN liegt parallel zu (100)gamma-LiAlO2 und [11-20]GaN ist parallel zu [001]gamma-LiAlO2. Die Realstruktur der M-plane GaN Schichten, die auf (100)gamma-LiAlO2 gewachsen werden, unterscheidet sich erheblich von der in C-plane Orientierung hergestellten Epischichten. Ausfuehrliche TEM Untersuchungen zeigen, dass die M-plane Schichten vor allem intrinsische (I1 und I2) und extrinsische (E) Stapelfehler in der Basalebene enthalten. Der vorherrschende I2 Stapelfehler besitzt keine Komponente des Verschiebungsvektors senkrecht zur Ebene und ist damit nicht geeignet, epitaktische Dehnung entlang der [11-20] Richtung abzubauen. Darueberhinaus ist eine komplexe Grenze in der (10-10) Prismen- flaeche entdeckt worden, die zur Grenzflaeche geneigt verlaeuft. Die Defekte in den M-plane GaN Epischichten werden waehrend der anfaenglichen Keimbildungsphase erzeugt. Atomare Stufen entlang der [001] Richtung auf dem LiAlO2 Substrat fuehren zur Bildung von Stapelfehlern vom Typ I2. / In this work the structure of (1-100)M-plane GaN epitaxially grown on gamma-LiAlO2(100) by using plasmaassisted molecular beam epitaxy (PAMBE) is studied. The heteroepitaxial alignment and the microstructure of M-plane GaN as well as the defect formation in the layer are systematically investigated by using transmission electron microscopy (TEM). The gamma-LiALO2 substrate reacts under irradiation of high-energy electrons in the TEM (200-300 keV).The material looses its original crystalline structure during this process undergoing irradiation damage followed by a phase transformation as it is verified by a series of selected area diffraction patterns taken under constant electron dose. The result is a structural phase transformation from the tetragonal gamma to the trigonal alpha phase. The atomic interface structure of epitaxially grown hexagonal alpha-GaN(1-100) layers on tetragonal gamma-LiAlO2 (100) substrates is investigated by means of HRTEM. The novel epitaxial orientation relationship verified by electron diffraction is given by (1-100)GaN parallel to (100)gamma-LiAlO2 and [11-20]GaN parallel to [001]gamma-LiAlO2. The defect structure of M-plane GaN epilayers grown on gamma-LiAlO2(100) substrates is different to that of C-plane GaN. Our detailed TEM studies reveal that the M-plane layers mainly contain intrinsic I1 and I2 and extrinsic E basal plane stacking faults. The dominant I2 stacking fault has no out-of-plane displacement vector component and is thus not qualified for epitaxial strain relief along the [11-20] axis. Beyond this, a complex type of planar defect is detected in the (10-10) prism plane which is inclined with respect to the interface. The study of nucleation samples shows that the surface morphology is directly correlated to the generation of the dominant planar defects. Atomic steps along the [001] direction in the gamma-LiAlO2 substrate result in the formation of basal plane stacking faults I2.

Halbleiter-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. / Semiconductor nanowires are investigated as a building block for light-emitting diodes (LEDs). Conventional gallium nitride (GaN) LEDs contain several crystal films grown on single crystal substrates, and their performance is limited by strain-induced piezoelectric fields and defects arising from lattice mismatch. GaN nanowires can be obtained free of defects on foreign substrates. In nanowire heterostructures, the strain arising from lattice mismatch can relax elastically at the free surface. Crystal defects and piezoelectric fields can thus be reduced. In this thesis, GaN nanowires are synthesized in the self-induced way by molecular beam epitaxy. A proof-of-concept study for the growth of semiconductor nanowires on metal shows that GaN nanowires grow epitaxially on titanium films. GaN of high crystal quality is obtained without a single crystal substrate. Quantitative models for the growth of axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures are developed. The successful fabrication of nanowire LED devices on silicon wafers proves that these models provide control over the emission wavelength. In the (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures, strain is non-uniform due to elastic relaxation at the sidewalls. Additionally, the self-induced growth leads to statistical fluctuations in the diameter and length of the GaN nanowires, and in the thickness of the axial (In,Ga)N segments. The (In,Ga)N crystal composition and lattice strain are analyzed by x-ray diffraction and resonant Raman spectroscopy. Due to the non-uniformity in strain, detailed numerical simulations are required to interpret these measurements. A simple approximation for the average strain in the nanowire segments is derived from the detailed numerical calculation. Strain engineering is possible by defining the nanowire segment lengths. Simulations of resonant Raman spectra deliver the experimental strain of (In,Ga)N segments in GaN nanowires, and give a proof of this universal concept.

Diese Arbeit gibt einen tiefgehenden Einblick in verschiedene Aspekte von auf (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen basierenden Leuchtdioden (LEDs), mittels Molekularstrahlepitaxie entlang der Achse von Nanodrähten (NWs) auf Si Substraten gewachsen. Insbesondere wurden die Wachstumsparameter angepasst, um eine Koaleszierung der Nanodrähte zu vermindern. Auf diese Weise konnte die durch die NW-LEDs emittierte Intensität der Photolumineszenz (PL) um einen Faktor zehn erhöht werden. Die opto-elektronischen Eigenschaften von NW-LEDs konnten durch die Verwendung von Indiumzinoxid, anstatt von Ni/Au als Frontkontakt, verbessert werden. Zudem wurde demonstriert, dass auch selektives Wachstum (SAG) von GaN NWs auf AlN gepufferten Si Substraten mit einer guten Leistungsfähigkeit von Geräte vereinbar ist und somit als Wegbereiter für eine neue Generation von NW-LEDs auf Si dienen kann. Weiterhin war es möglich, strukturierte Felder von ultradünnen NWs durch SAG und thermische in situ Dekomposition herzustellen. In den durch die NW-LEDs emittierten Elektrolumineszenzspektren (EL) wurde eine Doppellinenstruktur beobachtet, die höchstwahrscheinlich von den kompressiven Verspannungen im benachbarten Quantentopf, durch die Elektronensperrschicht verursachten, herrührt. Die Analyse von temperaturabhängigen PL- und EL-Messungen zeigt, dass Ladungsträgerlokalisierungen nicht ausschlaggebend für die EL-Emission von NW-LEDs sind. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken (I-V) von NW-LEDs unter Vorwärtsspannung wurden mittels eines Modells beschrieben, in das die vielkomponentige Natur der LEDs berücksichtigt wird. Die unter Rückwärtsspannung aktiven Transportmechanismen wurden anhand von Kapazitätstransientenmessungen und temperaturabhänigigen I-V-Messungen untersucht. Dann wurde ein physikalisches Modell zur quantitativen Beschreibung der besonderen I-V-T Charakteristik der untersuchten NW-LEDs entwickelt. / This PhD thesis provides an in-depth insight on various crucial aspects of light-emitting diodes (LEDs) based on (In,Ga)N/GaN heterostructures grown along the axis of nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy on Si substrates. In particular, the growth parameters are adjusted so as to suppress the coalescence of NWs; in this way the photoluminescence (PL) intensity emitted from the NW-LEDs can be increased by about ten times. The opto-electronic properties of the NW-LEDs can be further improved by exclusively employing indium tin oxide instead of Ni/Au as top contact. Furthermore, the compatibility of selective-area growth (SAG) of GaN NWs on AlN-buffered Si substrates with device operation is demonstrated, thus paving the way for a new generation of LEDs based on homogeneous NW ensembles on Si. Ordered arrays of ultrathin NWs are also successfully obtained by combining SAG and in situ post-growth thermal decomposition. A double-line structure is observed in the electroluminescence (EL) spectra emitted by the NW-LEDs; it is likely caused by compressive strain introduced by the (Al,Ga)N electron blocking layer in the neighbouring (In,Ga)N quantum well. An in-depth analysis of temperature dependent PL and EL measurements indicates that carrier localization phenomena do not dominate the EL emission properties of the NW-LEDs. The forward bias current-voltage (I-V) characteristics of different NW-LEDs are analysed by means of an original model that takes into account the multi-element nature of LEDs based on NW ensembles by assuming a linear dependence of the ideality factor on applied bias. The transport mechanisms in reverse bias regime are carefully studied by means of deep level transient spectroscopy (DLTS) and temperature dependent I-V measurements. The physical origin of the detected deep states is discussed. Then, a physical model able to describe quantitatively the peculiar I-V-T characteristics of NW-LEDs is developed.

La fabrication des composants semi-conducteurs à base de nitrure de gallium (GaN) connaît actuellement une grande expansion. Ce matériau, par ces propriétés physico-chimiques intéressantes, est un très bon candidat pour la fabrication des composants de puissance à haute fréquence de fonctionnement. Dans la pratique, avant d’intégrer ces composants dans un système électronique, l’analyse de leur fiabilité est une étape nécessaire pour valider la technologie de fabrication utilisée. L’objectif de ce travail est la détermination des mécanismes physiques responsables de la dégradation des performances des Transistors à Haute Mobilité Electronique (HEMT) à base d’hétérostructures AlGaN/GaN et AlInN/GaN. Dans un premier temps, la caractérisation en régime statique des composants, par des mesures de courant et de capacité à différentes températures, nous a permis de repérer certaines anomalies dans les caractéristiques des composants. Cette non-idéalité liée aux effets thermiques semble provenir des mécanismes de piégeage des porteurs par les défauts dans le matériau. Dans le but d’analyser ces mécanismes, des mesures de spectroscopie de défauts profonds (DLTS) ont été effectuées sur la capacité de type Schottky du contact de la grille. L’étape suivante a consisté à mesurer les pièges profonds dans les HEMTs par DLTS en courant de drain, de façon à déterminer quels défauts influencent directement le courant dans ces dispositifs. Cette étude a été effectuée sur différents composants avec différentes géométries pour analyser au mieux le comportement de ces pièges. L’étude du contact de grille est aussi une étape importante pour déterminer les origines de défaillance des composants. Pour cela, nous avons réalisé une étude approfondie sur les différents mécanismes de transport à travers la barrière métal/semi-conducteur. Cette étude nous a permis de conclure sur la stabilité du contact de grille après les tests de vieillissement accélérés. / The manufacture of semiconductor components based on gallium nitride (GaN) is currently undergoing a major expansion. This material, by his physical and chemical attractive properties, is a very good candidate for the manufacture of high power and hign frequency operating components. In practice, before integrating these components in an electronic system, the analysis of reliability is a necessary step to validate the used manufacturing technology. The objective of this work is to determine physical mechanisms responsible for the performance degradation of high electron mobility transistors (HEMT) based on AlGaN/GaN and AlInN/GaN heterostructures. At first, the static characterization of the components, by current and capacitance measurements at different temperatures, allowed us to identify anomalies in the characteristics. This non-ideality due to thermal effects seem to come from the trapping mechanisms of carriers by defects in the material. In order to analyze these mechanisms, deep levels transient spectroscopy measurements(DLTS) were carried out on the Schottky contact of the gate. The next step was to measure the deep traps in HEMTs by DLTS on drain current, in order to identify defects directly related to the current in these devices. This study was performed on different components with different geometries to analyze the behavior of these traps. The study of the gate contact is an important step in determining the origin of component failure. For this, we conducted a deep study on different transport mechanisms across the metal/semiconductor barrier. This study allowed us to conclude on the stability of the gate contact after the accelerated aging tests.

Group III-nitride semiconductors are well suited for the fabrication of devices including visible-ultraviolet light emitting diodes, high-temperature and high-frequency devices. The wurtzite III-nitride based heterostructures grown along polar c-direction have large internal electric fields due to discontinuities in spontaneous and piezoelectric polarizations. For optoelectronic devices, such as light-emitting diodes and laser diodes, the internal electric field is deleterious as it causes a spatial separation of electron and hole wave functions in the quantum wells, which decreases emission efficiency. Growth of GaN-based heterostructures in alternative orientations, which have reduced (semipolar) or no polarization (nonpolar) in the growth direction, has been a major area of research in the last few years. The correlation between structural, optical and transport properties of semipolar and nonpolar III-nitride would be extremely useful. The thesis focuses on the growth and characterizations of semipolar and nonpolar III-nitride heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Chapter 1 provides a brief introduction to the III-nitride semiconductors. The importance of semipolar and nonpolar III-nitride heterostructures over conventional polar heterostructures has been discussed. Chapter 2 deals with the descriptions of molecular beam epitaxy system and working principles of different characterization tools used in the present work. Chapter 3 addresses the molecular beam epitaxial growth of nonpolar (1 1 -2 0) and semipolar (1 1 -2 2) GaN on sapphire substrates. An in-plane orientation relationship is found to be [0 0 0 1] GaN || [-1 1 0 1] sapphire and [-1 1 0 0] GaN || [1 1 -2 0] sapphire for nonpolar GaN on r-sapphire substrates. Effect of growth temperature on structural, morphological and optical properties of nonpolar GaN has been studied. The growth temperature plays a major role in controlling crystal quality, morphology and emission properties of nonpolar a-plane GaN. The a-plane GaN shows crystalline anisotropy nature and it has reduced with increase in the growth temperature. The surface roughness was found to decrease with increase in growth temperature and film grown at 760°C shows reasonably smooth surface with roughness 3.05 nm. Room temperature photoluminescence spectra show near band emission peak at 3.434 -3.442 eV. The film grown at 800 ºC shows broad yellow luminescence peak at 2.2 eV. Low temperature photoluminescence spectra show near band emission at 3.483 eV along with defect related emissions. Raman spectra exhibit blue shift due to compressive strain in the film. An in-plane orientation relationship is found to be [1 -1 00] GaN || [1 2-1 0] sapphire and [-1 -1 2 3] GaN || [0 0 0 1] sapphire for semipolar GaN on m-plane sapphire substrates. The surface morphology of semipolar GaN film is found to be reasonably smooth with pits on the surface. Room temperature photoluminescence shows the near band emission (NBE) at 3.432 eV, which is slightly blue shifted compared to the bulk GaN. The Raman E2 (high) peak position observed at 569.1 cm1. Chapter 4 deals with the fabrication and characterizations of Au/nonpolar and Au/semipolar GaN schottky diodes. The temperature-dependent current–voltage measurements have been used to determine the current mechanisms in Schottky diodes fabricated on nonpolar a-plane GaN and semipolar GaN epilayers. The barrier height (φb) and ideally factor (η) estimated from the thermionic emission model are found to be temperature dependent in nature indicate the deviations from the thermionic emission (TE) transport mechanism. Low temperature I-V characteristics of Au/ GaN Schottky diode show temperature independent tunnelling parameter. Barrier heights calculated from XPS are found to be 0.96 eV and 1.13 eV for Au/nonpolar GaN and Au/semipolar GaN respectively. Chapter 5 demonstrates the growth of InN on r-sapphire substrates with and without GaN buffer layer. InN film and nanostructures are grown on r-sapphire without GaN buffer layer and they are highly oriented along (0002) direction. The electron microscopy study confirms the nanostructures are vertically aligned and highly oriented along the (0001) direction. The Raman studies of InN nanostructures show the SO modes along with the other possible Raman modes. The band gap of InN nanostructures is found to be 0.82 eV. InN grown with a-plane GaN buffer shows nonpolar orientated growth. Growth temperature dependent studies of nonpolar a-plane InN epilayers are carried out. The valence band offset value is calculated to be 1.31 eV for nonpolar a-plane InN/GaN heterojunctions. The heterojunctions form in the type-I straddling configuration with a conduction band offsets of 1.41 eV. Chapter 6 deals with the temperature dependent I-V characteristics of the nonpolar a-plane (1 1 -2 0) InN/GaN heterostructures. The measured values of barrier height and ideality factor from the TE model show the temperature dependent variation. The double Gaussian distribution has mean barrier height values ( ϕb ) of 1.17 and 0.69 eV with standard deviation (σs ) of 0.17 and 0.098 V, respectively. The modified Richardson plot ln (Is/T2)-q2σ2/2k2T2 ) versus q/kT in the temperature range of 350 – 500 K, yielded the Richardson constant of 19.5 A/cm2 K2 which is very close to the theoretical value of 24 A/cm2 K2 for n-type GaN. The tunneling parameters E0 found to be temperature independent at low temperature range (150 –300 K). Chapter 7 concludes with the summary of present investigations and the scope for future work.

No description available.

Cette thèse est consacrée à l’étude de l’outil d’épitaxie HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) pour la synthèse avec et sans catalyseur de nanofils semiconducteurs GaN et GaAs. Une étude systématique de l’influence des conditions expérimentales sur la croissance des fils de GaN est effectuée, afin de démontrer la faisabilité de cette croissance sur la surface des substrats saphir plan-c et silicium sans aucun traitement de la surface préalablement à la croissance. Nous avons démontré la croissance par VLS-HVPE, de nanofils de GaN de diamètres constants de 40 à 200 nm, de longueurs supérieures à 60 μm et présentant des qualités optique et cristallographique remarquables. Pour les nanofils de GaAs, la stabilité, inédite, de la phase cubique zinc-blende pour des diamètres de 10 nm a été démontrée par le procédé de croissance VLS-HVPE sur des longueurs de quelques dizaines de micromètres. Les mécanismes de croissance sont discutés à partir des diagrammes de phase et de la physique de la croissance HVPE qui met en oeuvre des précurseurs gazeux chlorés. Pour les semiconducteurs III-V, cette étude permet d’envisager des applications liées aux nanofils longs qui jusque là n’étaient exploitées que pour le silicium. Ces travaux montrent que dans le contexte des Nanosciences, la HVPE, outil épitaxial à fortes vitesses de croissance, mérite une audience élargie, et peut s’inscrire comme un outil complémentaire efficace aux procédés MOVPE et MBE pour le façonnage contrôlé de la matière à l’échelle nanométrique. / This thesis is devoted to the study of HVPE (Hydride Vapour Phase Epitaxy) method of growing GaN and GaAs nanowires with and without catalyst. A systematic study of the influence of the growth conditions on GaN formation was performed in order to demonstrate the feasibility of this growth on c-plane sapphire and silicon substrates without preliminary treatment of the surface. We have demonstrated by VLS-HVPE the growth of the GaN nanowires with constant diameters of 40 to 200 nm and of length up to 60 μm, while they possess remarkable optical and crystal quality. The newly observed stability of the zinc blende structure for GaAs nanowires with diameters of 10 nm has been described by the VLS-HVPE process, for lengths of few tens of micrometers. The growth mechanisms are discussed based on the phase diagram and the physics of near-equilibrium HVPE using chloride precursors. For III-V semiconductors, the study allows us to consider applications related to long nanowires that, at present, are used only for silicon. This work shows that in the context of Nanoscience, the fast growth HVPE method deserves a wider audience and thus could be considered as an effective complementary tool to MOVPE and MBE processes for the controlled shaping of matter on the nanoscale.

Group III-A nitrides (GaN, AlN, InN and alloys) are materials of considerable contemporary interest and currently enable a wide variety of optoelectronic and high-power, high-frequency electronic applications. All of these applications utilize device structures that employ a single or multiple hetero-junctions, with material compositions varying across the interface. For example, the workhorse of GaN based electronic devices is the high electron mobility transistor (HEMT) which is usually composed of an AlGaN/GaN hetero-junction, where a two-dimensional electron gas (2DEG) is formed due to differences in polarization between the two layers. In addition to such hetero-junctions in the same material family, formation of hetero-interfaces in nitrides begins right from the epitaxy of the very first layer due to the lack of native substrates for their growth. The consequences of such "dissimilar" hetero-junctions typically manifest as large defect densities at this interface which in turn gives rise to defective films. Additionally, if the substrate is also a semiconductor, the electrical properties at such dissimilar semiconductor-nitride hetero-junctions are particularly important in terms of their influence on the performance of nitride devices. Nevertheless, the large defect densities at such dissimilar 3D-3D semiconductor interfaces, which translate into more trap states, also prevents them from being used as active device layers to say nothing of reliability considerations arising because of these defects. Recently, the advent of 2D materials such as graphene and MoS2 has opened up avenues for Van der Waal’s epitaxy of these layered films with practically any other material. Such defect-free integration enables dissimilar semiconductor hetero-junctions to be used as active device layers with carrier transport across the 2D-3D hetero-interface. This thesis deals with hetero-epitaxial growth platforms for reducing defect densities, and the material and electrical properties of dissimilar hetero-junctions with the group III-A nitride material system.