This work examines extended, point, and surface defects in GaN by means of electric force microscopy, photoluminescence and deep-level transient spectroscopy. Modeling of the surface band bending, its origin, and the effects of fabrication processing steps are discussed in the first part of the dissertation. Experimental results indicate that spontaneous polarization does not play a predominant role in GaN band bending. An increase of surface band bending due to annealing and etching was observed, while passivation did not produce changes. However, passivation did reduce reverse-bias leakage current by one to two orders of magnitude in GaN Schottky diodes. The optical properties of GaN were found to be sensitive to fabrication processing steps, most likely due to changes in the total density of surface states.The second part of this dissertation concerns the reduction of extended defects and associated deep levels in layers of GaN grown on different templates. Templates employing a low temperature GaN nucleation layer, epitaxial lateral overgrowth, and SiNx nanonetwork are compared in terms of deep level concentrations in the resulting GaN films. The concentrations of two types of traps, A (Ec-ET ~ 0.54-0.58 eV) and B (Ec-ET ~ 0.20-0.24 eV), were the highest for the sample with a low temperature nucleation layer and lowest for a sample with a 6 min SiNx deposition time. We surmise that the defects responsible for the dominant trap A are located along dislocation lines and form clusters.In the last part we investigate the piezoelectric and ferroelectric properties of PZT in Pb(Zr, Ti)O3(PZT)/GaN structures, and the effects of interface states. Sol-gel derived thin PZT films on GaN and Pt/Ti/SiO2/Si surfaces were studied by piezoresponse force microscopy (PFM), where quantitative characterization of piezoelectric properties of PZT films was performed. Superior piezoelectric properties of PZT/GaN/sapphire structures as compared to PZT/ Pt/Ti/SiO2/Si structures were observed and explained by a different preferred orientation of PZT. Despite the possible existence of a strong depolarization field at the PZT/GaN interface, we confirm with PFM the presence of a remanent polarization in PZT/GaN/sapphire structures.

Das Halbleitermaterial Zinkselenid (ZnSe) wurde mit Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) untersucht. Fuer planar N-dotierte, MO-CVD-gewachsene ZnSe-Schichten auf p-GaAs wurden vorwiegend breite Zustandsverteilungen, aber auch tiefe Niveaus gefunden. In kristallin gezuechtetem, undotiertem ZnSe wurden tiefe Stoerstellen nachgewiesen.

In dieser Arbeit wurden tiefe Zentren in p-leitendem Zinkselenid mittels Kapazitaetstransientenspektroskopie untersucht. Es wurden Au/p-ZnSe/p-GaAs-Schichtstrukturen verwendet Mit Strom-Spannungs- und Kapazitaets-Spannungs-Messungen erfolgte eine Vorcharakterisierung der Proben. Dies lieferte Aussagen zu den bei kleinen Spannungen wirkenden Barrieren des Schottky-Kontaktes und des Hetero¨uberganges und die Bandkantenoffsets. Die effektiven Akzeptorkonzentrationen im p-ZnSe wurden bestimmt. Mit der DLTS wurden vier Loecher-Haftstellen in den p-ZnSe-Schichten gefunden. Ihre thermischen Aktivierungsenergien waren 0,40eV, 0,62eV, 0,83eV und 0,65eV. Die Konzentration des tiefen Zentrums HT nimmt bei Temperung ¨uber 450~K zu; moeglicherweise aufgrund einer Eindiffusion des als Schottky-Kontakt dienenden Goldes. Einfangmessungen fuer das Zentrum HT ergaben einen thermisch aktivierten Einfang mit Multiphononenemission bei einer Einfangbarriere von 0,46eV. Die Entropieaenderung bei der Emission aus dem Zentrum HT wurde bestimmt. Die Emission aus dem Zentrum HT laeuft schneller als der Einfang ab. Moegliche Gruende dafuer werden diskutiert. Mit Isothermalen Kapazitaetstransienten-Messungen und Spannungsvariationen wurde das Emissionsverhalten des tiefen Zentrums HT weitergehend untersucht. Transparente Gold-Kontakte gestatteten eine Beeinflussung der Emissionstransienten mittels Lichteinstrahlung durch den Schottky-Kontakt.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.

Quantum dots (QDs) are a semiconductor nanostructure in which a small island of one type of semiconductor material is contained within a larger bulk of a different one. These structure are interesting for a wide range of applications, including highly efficient LASERs, high-density novel memory devices, quantum computing and more. In order to understand the nature of QDs, electrical characterisation techniques such as capacitance-voltage (CV) profiling and deep-level transient spectroscopy (DLTS) are used to probe the nature of the carrier capture and emission processes. This is limited, however, by the nature of QD formation which results in a spread of sizes which directly affects the energy structure of the QDs. In this work, I sought to overcome this by using Si substrates patterned with a focused ion beam (FIB) to grow an array of identically-sized Ge dots. Although I was ultimately unsuccessful, I feel this approach has great merit for future applications.In addition, this thesis describes several unusual characteristics observed in InAs QDs in a GaAs bulk (grown by molecular beam epitaxy-MBE). Using conventional and Laplace DLTS, I have been able to isolate a single emission transient. I further show an inverted relation between the emission rate and the temperature under high field (emissions increase at lower temperatures). I attribute this to a rapid capture to and emission from excited states in the QD. In addition, I examine a metastable charging effect that results from the application of a sustained reverse bias and decreases the apparent emission rate from the dots. I believe this to be the result of a GaAs defect with a metastable state which acts as a screen, inhibiting emission from the dots due to an accumulation of charge in the metastable state. These unusual characteristics of QDs require further intensive work to fully understand. In this work I have sought to describe the phenomena fully and to provide hypotheses as to their origin.

In dieser Arbeit wurden tiefe Zentren in p-leitendem Zinkselenid mittels Kapazitaetstransientenspektroskopie untersucht. Es wurden Au/p-ZnSe/p-GaAs-Schichtstrukturen verwendet Mit Strom-Spannungs- und Kapazitaets-Spannungs-Messungen erfolgte eine Vorcharakterisierung der Proben. Dies lieferte Aussagen zu den bei kleinen Spannungen wirkenden Barrieren des Schottky-Kontaktes und des Hetero¨uberganges und die Bandkantenoffsets. Die effektiven Akzeptorkonzentrationen im p-ZnSe wurden bestimmt. Mit der DLTS wurden vier Loecher-Haftstellen in den p-ZnSe-Schichten gefunden. Ihre thermischen Aktivierungsenergien waren 0,40eV, 0,62eV, 0,83eV und 0,65eV. Die Konzentration des tiefen Zentrums HT nimmt bei Temperung ¨uber 450~K zu; moeglicherweise aufgrund einer Eindiffusion des als Schottky-Kontakt dienenden Goldes. Einfangmessungen fuer das Zentrum HT ergaben einen thermisch aktivierten Einfang mit Multiphononenemission bei einer Einfangbarriere von 0,46eV. Die Entropieaenderung bei der Emission aus dem Zentrum HT wurde bestimmt. Die Emission aus dem Zentrum HT laeuft schneller als der Einfang ab. Moegliche Gruende dafuer werden diskutiert. Mit Isothermalen Kapazitaetstransienten-Messungen und Spannungsvariationen wurde das Emissionsverhalten des tiefen Zentrums HT weitergehend untersucht. Transparente Gold-Kontakte gestatteten eine Beeinflussung der Emissionstransienten mittels Lichteinstrahlung durch den Schottky-Kontakt.

Metal-semiconductor contacts have been widely studied in the past 60 years. These structures are of importance in the microelectronics industry. As the scaling down of silicon-based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices becomes more and more challenging, new material and device structures to relax this physical limitation in device scaling are now required. Germanium (Ge) has been proposed as a potential alternative to silicon. In this thesis a systematic study of the thermally induced reaction of transition metals with the n-Ge substrate is outlined. Investigations in the change of the electrical properties of the metal germanide structures is studied in a wide range of temperatures. Current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V), deep level transient spectroscopy (DLTS) and high-resolution Laplace-DLTS (L-DLTS) techniques have been used for the electrical characterization of the fabricated Schottky contacts. Results obtained indicate the variation of the electrical properties of these Schottky contacts can be attributed to combined effects of interfacial reactions and phase transformation during the annealing process. The barrier height distribution in identically prepared Schottky contacts on n-Ge (100) showed that the barrier heights and ideality factors varied from diode to diode even though they were identically fabricated. The properties of the n-Ge Schottky contacts have revealed a strong dependence on temperature. The current transport mechanism has been shown to be predominantly thermionic emission at high temperatures while at low temperatures, the Schottky contacts have exhibited the dominance of the generation-recombination current mechanism. The variation of the Schottky barrier heights at low temperatures have been attributed to barrier inhomogeneities at the metal-semiconductor (MS) interface. Results from defect characterization by DLTS show that the E-centre is the dominant defect introduced in n-Ge by electron beam deposition during contact fabrication and substitutional related defects are induced during the annealing process. The identification of some of the defects was achieved by using defect properties, defect signature, annealing mechanisms and annealing behaviour and comparing these properties to the results from theoretical defect models. Annealing showed that defects in Ge can be removed by low thermal budget of between 250–350°C. Finally, structural characterization of these samples was performed by scanning electron microscopy (SEM) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS) techniques. From the SEM images it can be observed that the onset temperature for agglomeration in the 30 nm Ni/n-Ge (100), and Pt/-, Ir/- and Ru/n-Ge (100) systems occur at 500–600°C and 600–700°C, respectively. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / Physics / unrestricted

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