In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. (i) Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als alpha-Ga2O3. Oberhalb dieser Schicht wächst relaxiertes ß-Ga2O3 in Form von 3 Rotationsdomänen auf. Die Stabilisation der dünnen alpha-Ga2O3 Schicht wird, durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung bewirkt. (ii) Beim homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem ß-Ga2O3 mittels MOVPE wird die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt. Während beim Wachstum mittels TMGa und O2 vorwiegend polykristalline Schichten entstehen, ergeben sich beim Wachstum mittels TMGa und H2O sowie TEGa und O2 geschlossenen epitaktische Schichten. Dieser signifikante Unterschiede lässt sich durch die unterschiedlichen Reaktionswege der Ausgangsstoffe sowie durch die katalytische Wirkung der (100) Flächen des ß-Ga2O3 erklären. (iii) Die Perfektion, mittels MOVPE gewachsener, homoepitaktischer Schichten, auf (100) orientierten Substraten, ist stark von der Fehlorientierung des Substrates bestimmt. Schichten die auf Substraten mit geringen Fehlorientierungen abgeschieden werden (< 2° bei Wachstumstemperaturen < 850°C) sind durch eine hohe Dichte an Zwillingslamellen gekennzeichnet. Die Entstehung der Zwillingslamellen ist ein Resultat eines Doppelpositionierungsprozesses der Atome auf der Oberfläche der Wachstumsebene. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes, welcher die konkurrierenden Prozesse des Einbaus von Atomen in Oberflächenstufen sowie der Nukleation und des Wachstum von zweidimensionalen Inseln beschreibt, ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen, Dieser ist um zwei Größenordnungen geringer als bei klassischen Halbleitern, wie z. B. GaAs. In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wachstumsprozesse von Ga2O3 , mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Dazu gehört die Untersuchung des heteroepitaktischen Wachstums von Galliumoxidschichten welche mittels Molekularstrahlepitaxie (molekular beam epitaxy MBE), der gepulsten Laser Abscheidung (pulsed laser deposition (PLD)) und der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE)) auf (0001) orientierte Saphir Substraten abgeschieden wurden. Heteroepitaktisches Wachstum von Ga2O3 auf Saphir (0001) erfolgt bis zu einer Dicke von 3 Monolagen pseudomorph als α-Ga2O3 welches durch die Gitterfehlpassung zwischen Galliumoxid und dem Saphire Substrat induzierte Gitterverspannung stabilisiert wir. Weiterhin, im Fokus der Arbeit stehend, wird das homoepitaktische Wachstum von Galliumoxid auf (100) orientierten Galliumoxidsubstraten untersucht. Neben den Besonderheiten des Schichtwachstums, die sich aus den eingesetzten metallorganischen Präkursoren und Sauerstoffquellen ergeben, wird die Schichtstruktur in Abhängigkeit der typischen Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur, Wachstumsrate, Kammerdruck und Fehlorientierung des Substrates) analysiert. Dabei wird gezeigt das homoepitaktischen Wachstum auf (100) orientiertem, β-Ga2O3, mittels MOVPE, die kristalline Perfektion der gewachsenen Schichten stark von den verwendeten Präkursoren (Trimethylgallium (TMGa) und Triethylgallium (TEGa) als metallorganische Ausgangsstoffe und H2 O oder purer Sauerstoff als Oxidant) und den chemischen Prozessen an der Oberfläche bestimmt wird. Des Weiteren wird die Entstehung von Zwillingslammelen in abhähngigkeit der Fehlorientierung untersucht. Durch die Einführung von vorbestimmten Fehlorientierungswinkeln der Substrate ist es möglich das Entstehen der Zwillingslamellen zu verhindern, und ein Stufenflusswachstum zu generieren. Durch die Anwendung eines Ratengleichungsansatzes ist es möglich die experimentell beobachteten Dichten an Zwillingslamellen zu erklären und einen Diffusionskoeffizienten zu bestimmen. Des Weiteren wird das Wachstum im Mischsystem (InxGa1-x)2O3 untersucht und gezeigt das Indium als grenzflächenaktive Substanz wirken kann. / In this work we study the basic growth processes of epitaxial Ga2O3 films, by means of transmission electron microscopy. We investigate the heteroepitaxial growth of thin layers Ga2O3 on the (0001) plane of sapphire grown by molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD) and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Furthermore, we will focus on the homoepitaxial growth on the (100) plane by MOVPE. Beside the peculiarities of the layer growth dependence on different metal organic precursors and oxygen sources, we investigate the influence of typical growth parameters (i.e. growth temperature, growth-rate, chamber pressure and miscut angle of the substrate) on the layer morphology. Incase of heteroepitaxial growth of β-Ga2O3 on (0001) plane of sapphire, independent of the growth method, the formation of a 3 monolayer thick α-Ga2O3 layer is observed, which is stabilized through strain, as a result of the lattice mismatch between sapphire and α-Ga2O3. In case of homoepitaxial growth by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3, the crystalline quality of the grown layer strongly depends on the used precursor (tri-methyl-gallium (TMGa) or tri-ethyl-gallium (TEGa) as metal precursor and H2O or pure oxygen as oxidant) and the chemical processes on the surface, respectively. Further on is the crystalline perfection of homoepitaxial layers grown by MOVPE on (100) oriented β-Ga2O3 substrates strongly dependent on the miscut-angle of the substrates. Layer grown on substrate with a small miscut-angle (< 2°) show high amount of twin lamella. These twin lamella are a result of a possible double positioning mechanism of ad-atoms on the growth surface. By introducing appropriate miscut-angles of the substrate it is possible to suppress the formation of these twin lamellae, and enable step flow growth. By applying a rate equation approach, describing the competing processes of incorporation of ad-atoms at kink sites or nucleation and growth of two dimensional island, it is possible to quantitatively reproduce the experimentally observed twin lamella densities and to determine a surface diffusion coefficient of the ad-atoms. Furthermore, in case of the alloy system (InxGa1-x)2O3, it is shown that indium can act as an surfactant, by increasing the surface diffusion.

Efficiency droop is a critical issue for the Group III-nitride based light-emitting diodes (LEDs) to be competitive in the general lighting application. Carrier spill-over have been suggested as an origin of the efficiency droop, and an InAlN electron-blocking layer (EBL) is suggested as a replacement of the conventional AlGaN EBL for improved performance of LED. Optimum growth condition of InAlN layer was developed, and high quality InAlN layer was grown by using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). A LED structure employing an InAlN EBL was grown and its efficiency droop performance was compared with a LED with an AlGaN EBL. Characterization results suggested that the InAlN EBL delivers more effective electron blocking over AlGaN EBL. Hole-injection performance of the InAlN EBL was examined by growing and testing a series of LEDs with different InAlN EBL thickness. Analysis results by using extended quantum efficiency model shows that further improvement in the performance of LED requires better hole-injection performance of the InAlN EBL. Advanced EBL structures such as strain-engineered InAlN EBL and compositionally-graded InAlN EBLs for the delivery of higher hole-injection efficiency were also grown and tested.

Molecular beam epitaxy (MBE) grown metal has been a renewed area of interest recently in order to achieve high quality metal films or nanostructures for plasmonics. Recently MBE grown silver films have been shown to possess optical constants closer to that of intrinsic silver leading to lower losses and thus allowing for higher quality plasmonics. MBE has also been used to grow silver nanocrystals and indium droplets, or islands, for plasmonics. These self-assembled nanostructures can be grown in close proximity to quantum confined structures such as InAs/GaAs quantum dots or InGaAs/GaAs quantum wells in a single process, without post-processing and fabrication, allowing for increased plasmonic enhancement due to the improved interface between the semiconductor and plasmonic structures.In this dissertation, widely tunable plasmonic resonances of indium islands will be discussed and plasmonic enhancement results will be presented and compared to those of nanoantennas constructed from standard fabrication processes. The coupling between near-surface quantum confined structures, both fabricated and self-assembled, will be compared to the coupling in typical dielectric cavities, such as photonic crystal nanobeams. Beyond the plasmonic possibilities of indium islands, indium becomes superconducting at 3.4 K. With the proximity effect allowing for electrons in materials in contact with a superconductor to occupy a superconducting like state, allowing for the possibility for a hybrid superconductor/semiconductor optical source. The observation of superconductivity in indium islands will be presented and considerations for a superconductor/semiconductor source will be discussed.

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This dissertation focuses on two areas of garnet porphyroblast crystallization that have until now remained largely uninvestigated: epitaxial nucleation of garnet porphyroblasts and yttrium and rare earth (Y+REE) uptake in metamorphic garnet. The mechanism of epitaxial nucleation is explored as a step towards determining which aspects of interfaces are significant to interfacial energies and nucleation rates. Garnet from the aureole of the Vedrette di Ries tonalite, Eastern Alps, shows a clear case of epitaxial nucleation in which garnet nucleated on biotite with (110)grt || (001)bt with [100]grt || [100]bt. The occurrence is remarkable for the clear genetic relationships revealed by the microstructures and for its preservation of the mica substrate, which allows unambiguous determination of the coincident lattice planes and directions involved in the epitaxy. Not all epitaxial nucleation is conspicuous; to increase the ability to document epitaxial relationships between garnet and micas, I develop and apply a method for determining whether evidence for epitaxial nucleation of garnet is present in porphyroblasts containing an included fabric. Although the magnitude of uncertainties in orientation measurements for garnets from Passo del Sole (Switzerland), the Nevado Filabride Complex (Spain), and Harpswell Neck (USA) preclude definitive identification of epitaxial relationships, the method has potential to become a viable technique for creating an inventory of instances and orientations of epitaxial nucleation with appropriate sample selection. Using lattice-dynamics simulations, I explore the most commonly documented epitaxial relationship, (110)grt || (001)ms. The range of interfacial energies resulting from variations in the intracrystalline layer within garnet at the interface, the initial atomic arrangement at the interface, and the rotational orientation of the garnet structure relative to the muscovite structure shows that the intracrystalline layer within garnet has the greatest effect on interfacial energy. A complete understanding of the role of intergranular diffusion for yttrium and rare-earth-element uptake in porphyroblastic garnet is critical because the complexities of Y+REE zoning in garnets and the mechanisms of Y+REE uptake have implications for petrologic interpretations and garnet-based geochronology. Y+REE distributions in garnets from the Picuris Mountains (USA), Passo del Sole (USA), and the Franciscan Complex (USA) imply diverse origins linked to differing degrees of mobility of these elements through the intergranular medium during garnet growth.