L'architecture des cellules solaires multi-jonction permet d'obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu'à 46%. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d'énergies de bande interdite (" band gap ") 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit " gap " (1 eV et 0,7eV). Pour cela, les matériaux " petits gaps " fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales. La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d'identifier le mécanisme d'effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d'effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l'hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d'effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l'utilisation de matériaux " petits gaps " et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs. De plus, nous avons conçu une structure innovante d'hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l'incorporation d'une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l'accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l'échantillon pendant la croissance EJM. Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l'hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l'incorporation des sous-cellules de gap 1 eV. / Multi-Jonction Solar Cells (MJSCs) are leading the way of high efficiency photovoltaic devices, with conversion efficiency up to 46%. Their subcells are designed to absorb in a specific and complementary range of the solar spectrum, and are connected in series with tunnel junctions. The tandem architecture InGaP/GaAs - with bandgaps of 1.87 eV and 1.42 eV respectively - is mature and its efficiency could be enhanced by incorporating subcell(s) with bandgaps of 1 eV and/or 0.7 eV. The Molecular Beam Epitaxy (MBE) growth of such low bandgap materials has thus to be developed, as well as low-resistive tunnel junctions with good structural and optical properties. Based on the MBE growth and the simulation of GaAs tunnel junctions, we have identified interband tunneling as the predominant transport mechanism in such devices rather than trap-assisted-tunneling. The interband tunneling mechanism could be enhanced with the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure. Using this material system, we have then demonstrated tunnel junctions with very low electrical resistivity with a limited degradation of the optical and structural properties inherently induced by the use of low band-gap and lattice-mismatched GaAsSb and InGaAs materials. Moreover, we fabricated an innovative AlInGaAs/AlGaAsSb tunnel junction as a graded buffer architecture that could be used for the incorporation of a 1 eV metamorphic subcell. We then developed and characterized InGaAsN(Bi) materials with band-gaps of ~1eV, taking advantage of in-situ wafer curvature measurements during the MBE growth to control the lattice-mismatch. Preliminary solar cells based on GaAs, 1 eV dilute nitride and metamorphic InGaAs have been fabricated and characterized validating the developed tunnel junction architectures. This work has enabled to demonstrate the potential of the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure to meet the challenges posed by the conception and the fabrication of GaAs-based MJSCs, both for the tunnel junction and the 1 eV subcell.

In dieser Arbeit wurden die komplexen Mechanismen für den Einbau von Mg und In in (Ga,In)N/GaN(0001)-Heterostrukturen, die mittels PA-MBE hergestellt wurden, mit morphologischen, optischen und elektrischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Darüber hinaus wurde die Verwendung von (Ga,In)N/GaN SPSLs als HIL oder als aktiver Bereich in herkömmlichen LED-Strukturen untersucht. In-situ-Messungen zeigten, dass die Desorption von In in Gegenwart von N und Mg auf der GaN(0001)-Oberfläche zunimmt. Ferner wurden Mg-dotierte (Ga,In)N/GaN-SLs mittels PAMBE gezüchtet und mittels QMS, XRD und SIMS charakterisiert. Die (Ga,In)N/GaN-SLs zeigten eine bessere Oberflächenmorphologie als die (Ga,In)N-Schichten, die homogen mit Mg dotiert wurden. Jedoch wurde eine deutliche Abnahme des In-Gehalts in der (Ga,In)N ML festgestellt, wenn Mg gleichzeitig mit In zugeführt wurde. Gleichzeitig nahm die Mg-Konzentration in Gegenwart von In zu, was möglicherweise auf eine Wirkung als oberflächenaktive Substanz zurückzuführen ist. Für das SL, bei dem nur die (Ga,In)N-QWs mit Mg dotiert waren, wurde vom Messergebnis von SIMS eine maximale Mg-Konzentration von 2,6 × 1022 cm-3 für eine 1 ML dicke (Ga,In)N:Mg-Schicht deduziert. Zusätzlich haben andere Experimente ähnliche Ergebnisse aufgezeigt. Thermoleistung-Studien zeigten, dass das Delta-dotierte SL und die SL-Strukturen mit Mg-Dotierung in 20% der QB p-leitfähig sind. Zusätzlich wurde ein Gleichrichterverhalten der (Ga,In)N/GaN SL-Strukturen mit einem Idealitätsfaktor von weniger als 10 für die QW-dotierten SLs demonstriert. Ausgehend von der elektrischen Charakterisierung wurden drei verschiedene LED-Strukturen, die auf den vielver-sprechendsten Mg-dotierten (Ga,In)N SL-Strukturen (Delta-dotiertes SL und 20% QB-dotiertes SL) basierten, hergestellt und charakterisiert. / In this thesis, the complex mechanisms for the incorporation of Mg and In in (Ga,In)N/GaN(0001) heterostructures prepared by PA-MBE were investigated by morphological, optical, and electrical characterization methods. Furthermore, the implementation of (Ga,In)N/GaN SPSLs as a HIL or as the active region in conventional LED structures have been studied. In-situ measurements demonstrate that the desorption of In increases in the presence of both, N and Mg on the GaN(0001) surface. Further, (Ga,In)N/GaN SLs with Mg-doping grown by PAMBE and their characterization was carried out by QMS, XRD, and SIMS. A better surface morphology was obtained for the (Ga,In)N/GaN SLs in comparison to a (Ga,In)N layer homogeneously doped with Mg. Although, a notable decrease of the In content in the (Ga,In)N ML was revealed when Mg was supplied simultaneously to In. At the same time, the Mg concentration increased in the presence of In, which can possibly be attributed to a surfactant effect. For the SL that had only its (Ga,In)N QWs doped with Mg, a maximum Mg concentration of 2.6 × 1022 cm 3 for a 1 ML thick (Ga,In)N:Mg layer was deduced from SIMS measurements. Additionally, similar results have achieved later by another set of experiments. Thermopower studies revealed the p-type conductivity of the delta doped SL and of the SL structures with 20% of the QB doped by Mg. Additionally, a rectifying behavior with an ideality factor lower than 10 was demonstrated for the (Ga,In)N/GaN SL structures with QW fully doped. Based on the electrical characterization, three different LED structures were fabricated based on the most promising Mg-doped (Ga,In)N SL structures (delta doped SL, and 20% QB doped SL) and characterized.

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der elektrischen Polarisation auf Eigenschaften freier Träger in ZnO basierten Halbleiterheterostrukturen. Dabei werden insbesondere Transporteigenschaften freier Träger sowie deren Rekombinationsdynamik untersucht. Die Arbeit behandelt vier inhaltliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt liegt auf den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialen, hier wird der Zusammenhang der Bandlücke und der Gitterkonstanten von MgZnO Dünnfilmen und deren Magnesiumgehalt beschrieben. Weiterhin wird die Morphologie solcher Filme diskutiert. Auf unterschiedliche Substrate und Abscheidebedingungen wird dabei detailliert eingegangen. Der zweite Schwerpunkt behandelt die Eigenschaften undotierter und phosphordotierter ZnO und MgZnO Dünnfilme. Die strukturellen, Transport- und Lumineszenzeigenschaften werden hier verglichen und Rückschlüsse auf die Züchtungsbedingungen gezogen. Im dritten Schwerpunkt werden Quanteneffekte an ZnO/MgZnO Grenzflaechen behandelt. Hierbei wird insbesondere auf den Einfluss der elektrischen Polarisation eingegangen. Die Präsenz eines zweidimensionalen Elektronengases wird nachgewiesen, und die notwendigen Bedingungen zur Entstehung des sogenannten qunatum confined Stark-effects werden dargelegt. Insbesondere wird hier auf züchtungsrelevante Parameter eingegangen. Den vierten Schwerpunkt stellen Kopplungsphänomene in ZnO/BaTiO3 Heterostrukturen dar. Dabei werden zuerst die experimentell beobachten Eigenschaften verschiedener Heterostrukturen die auf unterschiedlichen Substraten gezüchtet wurden aufgezeigt. Hier stehen strukturelle und Transporteigenschaften im Vordergrund. Ein Modell zur Beschreibung der Ausbildung von Raumladungszonen in derartigen Heterostrukturen wird eingeführt und zur Beschreibung der experimentellen Ergebnisse angewandt. Die Nutzbarkeit der ferroelektrischen Eigenschaften des Materials BaTiO3 in Kombination mit halbleitendem ZnO wurden untersucht. Hierzu wurden ferroelektrische Feldeffekttransistoren unter Verwendung beider Materialien hergestellt. Die prinzipielle Eignung der Bauelemente als nichtflüchtige Speicherelemente wurde nachgewiesen.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum der planaren aromatischen Moleküle Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf verschiedenen einkristallinen Oberflächen von Gold und Graphit untersucht. Zur Abscheidung der Moleküle und zur Herstellung dünner hochgeordnerter organischer Schichten wurde eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit mehreren Kammern aufgebaut. Bei den Untersuchungen des Wachstums von PTCDA auf der Au(111)- und Au(100)-Fläche wurden drei Klassen von Strukturen gefunden: Eine Fischgrätenstruktur, deren Gitterparameter und molekulare Anordnung der (102)-Ebene des PTCDA-Kristalls entsprechen, eine quadratische Struktur, sowie eine Stabstruktur, die der (010)-Ebene des PTCDA-Kristalls zugeordnet werden kann. Während die Stabstruktur auf Au(100) ein inkommensurables Wachstum zeigt, konnten alle anderen PTCDA-Strukturen sowohl auf Au(111) als auch auf Au(100) als point-on-line epitaktisch klassifiziert werden. Die HBC-Schichten auf Au(111), Au(100)hex und Graphit zeigen abweichend von der Kristallstruktur eine hexagonale Symmetrie. Auf Graphit wächst HBC in einer kommensurablen Struktur. Auf den beiden Au-Oberflächen existieren mehrere Strukturen, die sich in ihrer Orientierung und ihren Gitterkonstanten unterscheiden. Neben einer dominierenden HBC-Struktur lassen sich auf den Au-Flächen weitere Strukturen beobachten, deren Auftreten durch den Bedeckungsgrad und die Substratmorphologie, d.h. die Stufenzahl und Terrassengröße des Substrates bestimmt wird. Alle diese HBC-Strukturen konnten als kommensurabel klassifiziert werden. Die Anordnung der HBC-Moleküle in Multilagen wurde für das System HBC auf Au(100)hex mit Hilfe molekularmechanischer Berechnungen modelliert. Die HBC-Moleküle sind in der zweiten Lage gegenüber denen der ersten Lage so verschoben, dass die C-Atome der Moleküle eine graphitähnliche Anordnung zeigen. Wie die STM Untersuchung der organischen Heteroschichten aus HBC und PTCDA zeigen, ist es möglich, epitaktische organische Heteroschichten auch von Molekülen herzustellen, die sich in ihren Gitterkonstanten und in der Symmetrie unterscheiden. Erstmals ließen sich derartige Schichten mittels Rastertunnelmikroskopie direkt und durch LEED auch im reziproken Raum abbilden. Aus dem in den STM Bildern sichtbaren Moirékontrast wurde die Orientierung der beiden organischen Gitter bestimmt. PTCDA wächst bezüglich des HBC-Gitters weder kommensurabel noch point-on-line koinzident, zeigt jedoch eine feste Winkelorientierung. Es handelt sich in diesem Fall um eine inkommensurable Struktur bezüglich des HBC-Gitters, die jedoch bezüglich des zugrundeliegenden Graphitgitters point-on-line Koinzidenz zeigt. Das Versagen der einfachen geometrischen Epitaxiemodelle kann in diesem Fall auf die Existenz mehrerer, energetisch nahezu gleichwertiger Adsorptionsplätze innerhalb der Einheitszelle des Substrates zurückgeführt werden.

In this thesis, the effect of surfactants (Bi /Sb) on GaAs(111) is explored, particularly in regards to modifying the surface morphology and growth kinetics. Both molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapour deposition (MOCVD) techniques are discussed in this context. InAs/GaAs(111) quantum dots (QDs) have been promoted as leading candidates for efficient entangled photon sources, owing to their high degree of symmetry (c_3v). Unfortunately, GaAs(111) suffers from a defect-ridden homoepitaxial buffer layer, and the InAs/GaAs(111) material system does not natively support Stranski{Krastanov InAs QD growth. Surfactants have been identified as effective tools to alter grown surface morphologies and growth modes, potentially overcoming these obstacles, but have yet to be studied in detail in this context. For MBE, it is shown that Bi acts as a surfactant when employed in GaAs(111) homoepitaxy, and eliminates defects/hillocks, yielding atomically-smooth surfaces with step-flow growth, and RMS roughness values of 0.13 nm. The effect is more pronounced as the Bi flux increases, and Bi is suggested to be increasing adatom diffusion. A novel reflection high energy electron diffraction (RHEED)-based experiment was also designed and performed to measure the desorption activation energy (U_Des) of Bi on GaAs(111), yielding U_Des = 1.74 ± 0.38 eV. GaAs(111) homoepitaxy was also investigated using MOCVD, with GaAs(111)B exhibiting RMS roughness values of 0.09 nm. Sb is shown to provoke a morphological transition from plastically-relaxed 2D to 3D growth for InAs/GaAs(111)B, showing promise in its ability to induce QDs. Finally, simulations for GaAs-based quantum well (QW) photoluminescence were conducted, and such QWs are shown to potentially produce very sharp linewidths of 3.9 meV. These results enhance understanding of Bi surfactant behaviour on GaAs(111) and can open up its use in many technological applications, paving the way for the realization of high efficiency/viable QD entangled photon sources. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Transient negative capacitance effects in epitaxial ferroelectric Pb(Zr₀.₂Ti₀.₈)O₃ capacitors are investigated with a focus on the dynamical switching behavior governed by domain nucleation and growth. Voltage pulses are applied to a series connection of the ferroelectric capacitor and a resistor to directly measure the ferroelectric negative capacitance during switching. A time-dependent Ginzburg-Landau approach is used to investigate the underlying domain dynamics. The transient negative capacitance is shown to originate from reverse domain nucleation and unrestricted domain growth. However, with the onset of domain coalescence, the capacitance becomes positive again. The persistence of the negative capacitance state is therefore limited by the speed of domain wall motion. By changing the applied electric field, capacitor area or external resistance, this domain wall velocity can be varied predictably over several orders of magnitude. Additionally, detailed insights into the intrinsic material properties of the ferroelectric are obtainable through these measurements. A new method for reliable extraction of the average negative capacitance of the ferroelectric is presented. Furthermore, a simple analytical model is developed, which accurately describes the negative capacitance transient time as a function of the material properties and the experimental boundary conditions.

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In this study, the effect of AlN buffer layer structure and morphology on the GaN films deposited on Si (111) substrate by reactive DC magnetron sputtering have been studied. For structural and morphological characterization X-ray diffraction (XRD) and Scanning electron microscope (SEM) were used. It is found that AlN films without Al pre-deposition on Si have a poor crystalline quality due to the formation of an amorphous layer at Si/AlN interface. Various initial Al sputtering durations on Si substrate result in changing the AlN buffer layer’s quality and morphology and choosing proper deposition duration can improve AlN buffer layer and the subsequent GaN layer quality. It is found that more than 15 s Al pre deposition can suppress the amorphous layer formation and enhance the film quality. The Rocking curve FWHM for both in-plane and out-of-plane orientation decreased from 1.86 and 1.56   to 0.4   and 0.3  , respectively, by 4 minutes Al pre-deposition on Si, however, overlong Al deposition results in poor surface morphology. It is found that 15s Al deposition is sufficient to enhance the quality as well as keeping the surface relatively smooth. In addition, AlN films deposited at 1000   showed the best film quality. GaN films directly grown on Si showed a poor crystalline quality and surface morphology, improvement of quality and morphology was observed for GaN samples deposited on AlN buffer layer. Also, melt-back etching observed on the surface of GaN grown on Si without AlN buffer layer. It is found that duration of Al deposition has a significant effect on GaN surface morphology, Al layer deposition more than 15 s result in a rough surface for GaN films. With choosing the optimum duration of Al pre-deposition and proper growth temperature a good quality GaN with a smooth surface morphology can be produced.