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<p>  </p> <p>Research that seeks to understand and develop the growth of III-nitride materials by molecular beam epitaxy (MBE) is beneficial to a broad range of the device community. MBE and the III-nitrides have been used to develop transistors, diodes, electroacoustic devices, solar cells, LEDs, LDs, intersubband devices, and quantum-cascade lasers. In this work we focus on the growth of III-nitride materials specifically for applications in near-infrared intersubband (NIR ISB) optical devices, however all this work is broadly applicable. </p> <p><br></p> <p>We begin by investigating the reduced indium incorporation in non-polar m-plane InGaN films. We find that InGaN grown on m-plane GaN has an effective activation energy for thermal decomposition of 1 eV, nearly half that reported for similar c-plane films. We produce high quality m-plane In0.16Ga0.84N and utilize it in AlGaN/InGaN devices designed for near-infrared ISB absorption measurements. We continue this work by exploring the growth of low-temperature AlGaN, necessary for these devices. We find that the utilization of an indium surfactant during low-temperature AlGaN growth enhances adatom diffusion, resulting in smoother surface morphologies, sharper interfaces, and reduced defects within the material. This growth method also prevents the anomalous suppression of the AlGaN growth rate, which we link to a reduction in the formation of high-aluminum containing defects. These investigations result in the demonstration of an Al0.24Ga0.76N/In0.16Ga0.84N heterostructure with a conduction band offset large enough to enable NIR ISB transitions.</p> <p><br></p> <p>Lastly, we explore the novel material ScAlN. This material’s large bandgap, large spontaneous polarization, ferroelectricity, and ability to be lattice matched to GaN at ~18% scandium composition make it an ideal candidate for a variety of devices, including NIR ISB devices. We investigate the reported temperature dependence of ScAlN’s <em>c</em>-lattice constant and confirm this dependence is present for high growth-temperature ScxAl1-xN with 0.11 < x < 0.23. We find that this temperature dependence is no longer present below a certain composition-dependent growth temperature. This finding, coupled with observations that samples grown at lower temperatures exhibit lower defect densities, smoother surfaces, and homogeneous chemical compositions suggest that high growth temperatures lead to defect generation that may cause the observed change in lattice parameters. We demonstrate lattice-matched, 50 repeat Sc0.18Al1-xN/GaN heterostructures with ISB absorption in excess of 500 meV with FWHM as little as 45 meV. </p>

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Das Wachstum von monolagen dünnen Schichten von InN und GaN/InN auf ZnO wurde untersucht. Ebenso der Einfluss der Verspannung, welche durch das Substrat bedingt ist, auf den Indiumgehalt von (In, Ga)N Heterostrukturen, welche auf GaN und ZnO gewachsen wurden. Alle Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxy gewachsen. Es wurde eine Prozedur entwickelt zum Glühen von ZnO Substraten, um glatte Oberflächen mit Stufenfluss-Morphologie zu erhalten, welche sich für das Wachstum von monolage-dünnen Heterostrukturen eignen. Solche Zn-ZnO und O-ZnO Oberflächen konnten produziert werden, wenn die Proben bei 1050 °C in einer O2 Atmosphäre bei 1 bar für eine Stunde geglüht wurden. Reflection high energy electron diffraction wurde eingesetzt, um in situ den Wachstumsmodus und die Entwicklung des a-Gitterabstandes zu untersuchen. Die kritische Schichtdicke, ab welcher ein Übergang im Wachstumsmodus von glattem zu rauhem Wachstum statt findet, war für das Wachstum von InN auf ZnO geringer als 2 ML und setzt gemeinsam mit dem Beginn der Relaxation ein. Für das Wachstum von GaN auf monolagen-dünnem InN/ZnO konnte gezeigt werden, dass höchstens wenige ML abgeschieden werden können, bevor Relaxation eintritt und/oder eine Vermischung zu (In, Ga)N stattfindet. Untersuchungen durch Röntgenbeugung und Raman Spektroskopie geben Hinweise darauf, dass das Abscheidung der nominalen Struktur 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) vermutlich zum Wachstum von (In, Ga)N führte. Die chemische Zusammensetzung war für alle Proben sehr ähnlich mit einem indium Gehält von etwa x: 0.36 und einem Relaxationsgrad von 65% - 73% für Proben, die auf ZnO gewachsen wurde und 95% für Wachstum auf 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN. Ein unbeabsichtigter Unterschied im V/III-Verhältnis während des Wachstums von (In, Ga)N Heterostrukturen, auf welchen die Anwesenheit von Metalltröpchen auf manchen Proben hinwies, lies auf einen möglichen Einfluss auf das Relaxationsverhalten und die Oberflächenrauhigkeit schließen. / Several thin InN and GaN/InN films and (In, Ga)N heterostructures were grown using molecular beam epitaxy to investigate their growth mode. InN and GaN/InN films were grown on ZnO substrates and (In, Ga)N heterostructures were grown on (In, Ga)N buffers and ZnO substrates. Fabricating the heterostructures on two different types of substrates was a means of strain engineering to possibly increase the indium content in the (In, Ga)N layers. An annealing procedure was established to treat ZnO substrate to gain smooth, stepped surfaces suitable for ML thin heterostructure devices. Reflection high energy electron diffraction was used to investigate in situ the growth mechanism and evolution of the a-lattice spacing. The critical layer thickness for growth mode transition of InN from smooth to rough is below 2 MLs and fairly coincides with the onset of main relaxation. The deposition of GaN on ML thin InN/ZnO shows that at best a few MLs can be deposited before relaxation and/or intermixing into (In, GaN) takes place. Investigations by X-ray diffraction and Raman spectroscopy indicate that the deposition of a nominal structure of 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) seems to result in the growth of (In, Ga)N instead. The average chemical composition was similar for all samples with an indium content close to x: 0.36 and a degree of relaxation between 65%-73% for samples grown on ZnO and 95% for the sample grown on 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN pseudo-substrate. The surface was probed with atomic force microscopy and showed that starting with smooth surfaces with root mean square roughness around 0.2 nm there was a considerable roughening during growth and surfaces with grain like morphology and a roughness around 2 to 3 nm was produced. Unintentional differences in V/III ratio during growth of (In, Ga)N heterostructures, indicated by the presence of droplets on some of the sample surfaces, were possible, impacting on the sample relaxation behavior and the surface roughness.

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Festkörper-basierte Kühlkreisläufe, die auf dem elektrokalorischen Effekt beruhen, sind in den vergangenen Jahren in den Mittelpunkt aktueller Forschungen gerückt, da für den direkten Betrieb keine klimaschädlichen Treibhausgase erforderlich sind und da sie das Potential für eine hohe Energieeffizienz aufweisen. Der elektrokalorische Effekt (EKE) beschreibt eine reversible adiabatische Temperaturänderung in polaren Materialien, die durch die Änderung eines äußeren elektrischen Feldes induziert wird. Besonders stark aus-geprägte elektrokalorische Eigenschaften treten für ferroelektrische Materialien im Bereich der Umwandlung zwischen ferro- und paraelektrischer Phase auf. Zudem verstärkt sich der EKE mit zunehmender Feldstärkeänderung. Ferroelektrische Dünnschichten, an die im All-gemeinen hohe elektrische Felder angelegt werden können, zeigen daher gute elektrokalo-rische Eigenschaften. Für das Materialsystem BaZrxTi1-xO3 (BZT) wurde in der Literatur beschrieben, dass Massivproben in Hinblick auf den EKE ein günstiges Eigenschaftsprofil aufweisen. In dieser Arbeit werden BZT–Dünnschichten hergestellt, um die vielverspre-chenden Eigenschaften dieses Materialsystems näher zu untersuchen und um ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge zu erlangen. Dazu wird ein epitaktisches Schichtwachstum angestrebt, um ein möglichst klar definiertes Gefüge zu erhalten und so den Zusammenhang zwischen mikrostrukturellen, ferroelektrischen und elektrokalorischen Eigenschaften untersuchen zu können. Durch eine Optimierung der Herstellungsbedingungen werden mit Hilfe der gepulsten Laserdeposition epitaktische BZT-Dünnschichten auf (001)-orientierten einkristallinen SrTiO3-Substraten abgeschieden. Dabei werden die hergestellten Proben mit Röntgenbeugungs-, Elektronenmikroskop und-Die durch den EKE induzierte adiabatische Temperaturänderung wird auf Basis einer thermodynamischen Analyse von feld- und temperaturabhängigen Polarisationsmessungen indirekt bestimmt. Extrinsische Einflüsse wie Leckströme oder Randschichteffekte können zu Deformationen der Polarisationhysterese führen und daher eine fehlerhafte Abschätzung des EKE verursachen. Es werden daher zwei Ansätze für eine direkte Charakterisierung des EKE in Dünnschichten beschrieben.

<p>Preparing silicon wafers is a tedious multi-step process that includes etching, polishing, and cleaning. The minimum wafer thickness attainable in current high volume wafer production processes is generally 160 to 300 μm, and the kerf loss for these processes is up to 40% of the total volume. Thin silicon wafers (~30 to 100μm) are very expensive to produce and the wafering process is not cost effective due to the high amount of material loss (more than 80% at these dimensions) during the process and the risk of breakage of the wafers during wafering. In this thesis, a new method called Vapour-Liquid Interface Growth (VLIG) is proposed. VLIG is capable of directly growing a sheet of single crystal silicon without wafering with a thickness of about 30 to 50μm. The features of the process are 1) low temperature operation; 2) the resulting silicon sheet is easily detachable and self-supporting; 3) the resulting sheet has uniform thickness and is single crystal. The system operates in a supersaturated growth solution of an indium-silicon melt. A seed line in a substrate facing down is employed. A layer of single crystal silicon grows on the seed line at the melt surface due to surface segregation during the super cooling process. The grown silicon can grow laterally due to the limited thickness of the melt depth that minimizes growth in the vertical growth direction. The grown silicon can be easily peeled off from the seed line substrate due to the presence of a gap between the grown silicon sheet and the oxide layer on the seed line substrate. The self-supporting silicon sheet now comprises a very thin silicon substrate or sheet.</p> <p>VLIG silicon sheet is characterized by X-ray diffraction to determine the crystallinity. Hall Effect measurements are performed to measure the electrical properties. VLIG silicon sheet is (111) oriented single crystal and it exhibits the same orientation as the substrate. The growth temperature is from 975 to 850^oC, and the VLIG silicon is p-type doped with indium. The resistivity is 4.181x10^-3 ohm-cm, and the doping level is around 5.3.0x10¹⁸ /cm3. The measured mobility is ranging from 280 cm²/V.s. In this study, VLIG demonstrates the potential of growing thin sheet of single crystal silicon with qualities that feasible for photovoltaic application.</p> / Master of Applied Science (MASc)