Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Eigenschaften von dünnen GaN-Schichten gewachsen in verschiedenen Orientierungen. Hierbei werden die optischen Eigenschaften von verspannten M- und A-plane sowie unverspannten C-plane GaN-Schichten untersucht und die Ergebnisse im Rahmen von Bandstrukturberechnungen diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Bandstrukturverschiebungen theoretisch mittels eines k.p-Näherungsansatzes untersucht. Diese Bandverschiebungen beeinflussen sowohl die Übergangsenergien als auch die Oszillatorstärken. Man findet, dass die C-plane Schicht im Falle einer isotropen Verspannung in der Filmebene keine Anisotropie der optischen Polarisation zeigt. In beiden Fällen zeigen die drei Übergänge von den drei oberen Valenzbändern in das untere Leitungsband andere Polarisationseigenschaften als die entsprechenden Übergänge in C-plane GaN-Schichten. Es wird beobachtet, dass für einen bestimmten Wertebereich der Verspannung in der Filmebene diese Übergänge nahezu vollständig x-,z- bzw. y-artig polarisiert sind. Die verwendeten Schichten wurden auch mittels Transmissionspektroskopie untersucht. Im Falle der M-plane GaN-Schichten können zwei fundamentale Übergänge identifiziert werden, wobei der elektrische Feldvektor E des einfallenden Lichtes einmal parallel (z-Polarisation) und einmal senkrecht (x-Polarisation) auf der c-Achse steht. Die M-plane GaN-Schicht besitzt unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten für z-Polarisation und x-Polarisation, welche zu zusätzlichem Dichroismus und Doppelbrechung führen. Als Resultat findet eine Filterung der Polarisation für einfallendes, linear polarisiertes Licht statt. Die elektrische Feldkomponente mit x-Polarisation wird stärker absorbiert als die Komponente mit z-Polarisation. Diese Polarisationsfilterung äußert sich für schmalbandiges Licht in Form einer Drehung der Polarisationsebene in Richtung der c-Achse, wobei ein maximaler Rotationswinkel von 40 Grad gefunden wurde. / In this work, we focus on the optical response of GaN thin films grown along various orientations. The optical properties of strained M- and A- and unstrained C-plane GaN thin films are investigated, and the results are explained with help of band-structure calculations. We calculate the strain-induced band-structure modification using the k.p perturbation approach. The valence-band (VB) states are modified affecting both the transition energies as well as the oscillator strengths. We observe that C-plane GaN does not show any in-plane polarization anisotropy, when an isotropic in-plane strain is applied. For the case of M- and A-plane GaN, one expects to see an in-plane polarization anisotropy even for the unstrained case. Additionally, the in-plane strain significantly changes the band structure and the symmetry of the VB states. The three transitions, involving electrons in the conduction band (CB) and holes in the top three VBs, will exhibit a very different polarization characteristic than the ones for C-plane GaN. These transitions are predominantly x, z, and y polarized, respectively, for a certain range of in-plane strain values, present in our samples. For M-plane GaN thin films, two fundamental transitions can be identified, which occur when the electric field vector E is perpendicular (x-polarization) and parallel c (z-polarization). These transitions give rise to a transmittance spectrum separated by 50 meV at room temperature with respect to each other. This result in a polarization filtering of an incident linearly polarized light beam after transmission, because the electric field component with x-polarization is more strongly absorbed than with z-polarization. This filtering manifests as a rotation of the polarization vector toward the c axis and can be as large as 40 degrees for an initial angle of 60 degrees, for our samples.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit optischen Untersuchungen von MBE-gewachsenen hexagonalen Gruppe-III-Nitridheterostrukturen. Dafür wird die Photolumineszenz von InGaN/GaN- und GaN/AlGaN-Mehrfachquantengrabenstrukturen umfangreich zeitintegriert und zeitaufgelöst studiert. Die Proben unterscheiden sich in den Dicken der Quantengräben und Barrieren (InGaN) bzw. in der kristallografischen Orientierung (AlGaN). Als Ergebnis der großen, für das Materialsystem charakteristischen, elektrostatischen Felder zeigen die konventionell [0001]-orientierten Heterostrukturen eine verringerte Übergangsenergie und längere Lebensdauern mit zunehmender Quantengrabenbreite und höherem Indiumgehalt in den Gräben. Der beobachtete Einfluss des Quantumconfined Stark-Effektes (QCSE) auf diese Größen kann auch durch Modellrechnungen quantitativ gezeigt werden. In der Arbeit wird erstmals eine umfangreiche optische Charakterisierung einer neuartigen [1-100]-orientierten GaN-Heterostruktur auf Gamma-LiAlO2 geboten. Zum Vergleich wird das Verhalten einer identisch aufgebauten, [0001]-orientierten Struktur auf SiC ebenfalls diskutiert. Die (1-100)-Probe ist in Wachstumsrichtung frei von elektrostatischen Feldern und unterscheidet sich damit deutlich von den herkömmlichen Nitridstrukturen mit [0001]-Orientierung, deren interne Felder im MV/cm-Bereich liegen. Die spektrale Lage der Photolumineszenz bei geringen Anregungsdichten bestätigt die Flachbandsituation in der Probe. Aufgrund des bei dieser Probe nicht auftretenden QCSE ist hier eine deutlich verkürzte Lebensdauer festzustellen. Entsprechend der Auswahlregeln für hexagonales GaN weist die [1-100]-orientierte Probe eine sehr starke Polarisation der Photolumineszenz bezogen auf die Lage der [0001]-Achse auf. Die geringe Abweichung des ermittelten Polarisationsgrades von der, für A-Exzitonen in Volumen-GaN zu erwartenden, totalen Polarisation kann durch das Konfinement in den Quantengräben erklärt werden. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung der Rekombinationsmechanismen der Proben in Abhängigkeit von der induzierten Ladungsträgerdichte. Diese wird in einem Bereich von sehr geringer Dichte bis über die Mottdichte variiert. Eine Abschirmung der elektrostatischen Felder mit zunehmender Ladungsträgerdichte wird festgestellt. Dabei kann bei einer InGaN/GaN-Probe mit 3.1 nm breiten Gräben gezeigt werden, dass neben den internen piezoelektrischen Feldern die in der Literatur diskutierte Lokalisation von Exzitonen an Stöchiometrieschwankungen des Quantengrabens entscheidend die Rekombinationsdynamik in der Probe beeinflusst. Dies spiegelt sich in einer Abhängigkeit der Quantengrabeneigenschaften von den Anfangsbedingungen des Abklingprozesses und damit einem nicht existierenden allgemein gültigen Zusammenhang zwischen der Lebensdauer und der Ladungsträgerdichte wider. Die zeitaufgelösten Lumineszenzspektren der InGaN/GaN-Strukturen zeigen als Folge der mit höheren Ladungsträgerdichten zunehmenden Abschirmung eine verringerte Lebensdauer durch die vergrößerte Überlappung von Elektron- und Lochwellenfunktionen. Aufgrund der wieder abnehmenden Abschirmung während des Rekombinationsprozesses verändert sich die Lebensdauer im Laufe der Zeit. Gleichzeitig kommt es zu einer Verringerung der Übergangsenergie des Lumineszenzmaximums durch den weniger abgeschirmten QCSE. Die zeitintegrierten Photolumineszenzspektren zeigen ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit von der Anregungsdichte. Während bei der feldfreien (1-100)-Probe keine Kompensationseffekte erwartet werden, weisen die Resultate für die konventionellen Proben auf einen, die Ladungsträgerdichte wesentlich beeinflussenden Effekt hin. Die Abhängigkeit der Intensität der Photolumineszenz von der Ladungsträgerdichte deutet ab einer bestimmten Anregungsdichte auf einen zusätzlichen Prozess, welcher die Ladungsträgerdichte reduziert, sich aber nicht im Lumineszenzspektrum widerspiegelt. Als Erklärung dafür wird die Absorption von stimulierter Emission im Substrat oder in der Pufferschicht angenommen. Bei den InGaN-Proben schiebt die Übergangsenergie mit höheren Dichten zu größeren Energien und nähert sich bis 10e5 W/cm2 einem Sättigungswert an. Dieser Wert entspricht trotz Dichten oberhalb der Mottdichte noch nicht der Flachbandsituation bei vollständig kompensierten internen Feldern. Als Ursache dafür wird der genannte, bei hohen Ladungsträgerdichten einsetzende Konkurrenzprozess gesehen. Bei den GaN/AlGaN-Proben kann im untersuchten Bereich der Anregungsdichte keine spektrale Verschiebung im Photolumineszenzspektrum festgestellt werden. Zum ersten Mal werden experimentelle Untersuchungen zur stimulierten Emission einer [1-100]-orientierten GaN-Probe durchgeführt und das optische Gewinnspektrum analysiert. Die Messungen zeigen einen maximalen Nettogewinn von ca. 50 1/cm. Aus der rechnerischen Analyse der Modenausbreitung lässt sich dafür ein Materialgewinn für GaN(1-100) von 1.1x10e4 1/cm ableiten. Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Rekombination eines Elektron-Loch-Plasmas der Mechanismus für die stimulierte Emission ist. Dies entspricht dem überwiegenden Teil der in der Literatur veröffentlichten Beobachtungen für [0001]-orientierte Nitridstrukturen. Ein direkter Vergleich mit der parallel untersuchten GaN/AlGaN(0001)-Probe ist aufgrund der starken Substratabsorption nicht möglich. Es zeigt sich, dass für [1-100]-orientierte GaN-Heterostrukturen gute Ausgangsbedingungen für die Realisierung von Laserdioden gegeben sind. Zu den untersuchten Heterostrukturen wird die Wellenführung in den Proben simuliert. Bei den auf SiC gewachsenen Schichten werden die sich ausbreitenden Moden wegen des deutlich höheren Brechungsindexes des Substrates vornehmlich dort geführt. Die Überlappung der Moden mit dem aktiven Schichtpaket ist äußerst gering. Es ist für die Proben auf SiC kein optischer Gewinn zu erwarten. Die [1-100]-orientierte GaN/AlGaN-Probe besitzt eine deutlich bessere Wellenführung, da das LiAlO2 einen vergleichsweise kleinen Brechungsindex besitzt. Es wird ein Zusammenhang zwischen experimentell ermitteltem optischen Gewinn und dem Materialgewinn gebildet und das Ergebnis mit Rechnungen aus der Literatur verglichen. Ein Vorschlag für eine optimierte Wellenführung in allen untersuchten Proben wird gegeben. / In this thesis, the optical properties of molecular beam epitaxy grown hexagonal group-III nitride heterostructures are studied. The photoluminescence (PL) characteristics of InGaN/GaN and GaN/AlGAN multiple quantum well structures are investigated by time-integrated and time-resolved measurements. The analyzed specimens differ in the width of the quantum wells and barriers (InGaN) and in the crystallographic orientation (AlGaN), respectively. As a result of the large characteristic electrostatic fields, conventional [0001]-oriented heterostructures show a reduced transistion energy and longer lifetimes with increasing well width and higher Indium content in the wells. The observed impact of the Quantum Confined Stark Effect (QCSE) on these quantities is quantitatively shown in model calculations. In this work, a first extensive optical characterization of a novel [1-100]-oriented GaN heterostructure grown on Gamma-LiAlO2 is presented. For comparison, an identically designed [0001]-oriented structure on SiC is discussed. The (1-100)-grown specimen is free of electrostatic fields along the growth direction and shows a significant different behavior than conventional [0001]-oriented nitrides with internal fields of several MV/cm. The existing flat band conditions are confirmed by the spectral position of the PL at low excitation densities. Due to the non-existing QCSE at this specimen an significantly reduced lifetime is observed. A strong polarization of the PL is observed for the [1-100]-oriented sample, following the selection rules for hexagonal GaN. The small deviation of the degree of polarization from unity, which is expected in bulk GaN, is attributed to the quantum confinement in the heterostructures. One main topic of this thesis is the analysis of the recombination mechanisms of the specimens depending on the induced carrier density. The carrier density is varied from very low upto densities above the mott density. A screening of the electrostatic fields is observed with increasing carrier density. It is shown, that an InGaN/GaN heterostructure with a well width of 3.1 nm not only is influenced by internal piezoelectric fields but also the localization of excitons at stoichiometric inhomogenities in the quantum well is playing an important role for the recombination dynamics of the structure. This can be seen in the dependence of the decay process on the starting conditions. No general correlation is existing between lifetime and carrier density. Time-resolved PL measurements on InGaN/GaN heterostructures show a reduced lifetime due to an increased overlap of the electron and hole wave functions as a result of the increased screening at increasing carrier densities. During the recombination process the screening decreases again and the lifetime is changed with time. Simultaneously the transistion energy of the PL maximum is reduced by the less screened QCSE. A distinct dependence of the time-integrated PL spectra on the excitation density was also found. While there are no compensation effects expected at the (1-100) structure, which is free of electrostatic fields, the results for the conventional specimens point to an effect which influences the carrier density essentially. The dependence of the PL intensity on the carrier density points to an additional process, which comes into play at a special excitation density. This process reduces the carrier density but is invisible in the PL spectra. As an explanation we assume, that light of stimulated emission is absorbed either in the substrate or in the buffer layer. The transistion energy of the InGaN structures increases with increasing excitation density and reaches a saturation energy at a density of 10e5 W/cm2. Although this density is larger than the mott density, the transistion energy is not equivalent with a transition energy at flat band conditions. The origin of the observed effect is assumed to be the rival process, mentioned above, which comes into play at high carrier densities. For the GaN/AlGaN heterostructures no spectral shift of the PL was observed within the variation of excitation density. For the very first time, the stimulated emission of an [1-100]-oriented GaN structure was analyzed. A maximum netto gain of 50 1/cm was observed. From calculations of the mode propagation, a material gain of 1.1x10e4 1/cm is derived for GaN(1-100). Additionally from the results follows that the recombination of an electron-hole-plasma is the mechanism of the stimulated emission. This is in accordance with most of the published observations for [0001]-oriented GaN heterostructures. A direct comparison of both, the [1-100]-oriented specimen and the GaN/AlGaN(0001) structure, which was investigated parallel, was not possible. The reason for that is the strong absorption of the SiC substrate of the latter mentioned structure. It is generally shown, that [1-100]-oriented GaN heterostructures offers good starting conditions to realize laser diodes. The wave guiding was simulated for all of the used specimens. At structures grown on SiC the propagating modes are mainly guided in the substrate due to the larger refractive index of SiC with respect to GaN. The overlap of the amplified mode and the active layer is very small. No optical gain is expected for these structures. The [1-100]-oriented GaN/AlGaN structure shows a significantly improved wave guiding, due to the small refractive index of LiAlO2 in comparison with GaN. A correlation between the experimentally observed optical gain and the material gain is formed and the results are compared with the literature. A suggestion for an optimized wave guiding in all investigated specimens is given.

In dieser Dissertation wird die spektrale und örtliche Verteilung der Lumineszenz von Heterostrukturen in selbstorganisierten Nanodrähten (ND) mit Hilfe von Kathodolumineszenz-Spektroskopie (KL) im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Diese Methode wird ergänzt durch Messungen der kontinuierlichen und zeitaufgelösten Mikro-Photolumineszenz. Drei verschiedene Strukturen werden behandelt: (i) GaAs-ND bestehend aus Segmenten der Wurtzit (WZ) bzw. Zinkblende (ZB) Kristallstrukturen, (ii) auf GaN-ND überwachsene GaN-Mikrokristalle und (iii) (In,Ga)N Einschlüsse in GaN-ND. Die gemischte Kristallstruktur der GaAs-ND führt zu komplexen Emissionsspektren. Dabei wird entweder ausschließlich Lumineszenz bei Energien unterhalb der ZB Bandlücke, oder aber zusätzlich bei höheren Energien, gemessen. Diese Differenz wird durch unterschiedliche Dicken der ZB und WZ Segmente erklärt. Messungen bei Raumtemperatur zeigen, dass die Bandlücke von WZ-GaAs mindestens 55 meV größer als die von ZB-GaAs ist. Die Lumineszenz-Spektren der GaN-Mikrokristalle enthalten verschiedene Emissionslinien, die auf Stapelfehler (SF) zurückzuführen sind. SF sind ZB Quantentöpfe verschiedener Dicke in einem WZ-Kristall und es wird gezeigt, dass ihre Emissionsenergie durch die spontane Polarisation bestimmt wird. Aus einer detaillierten statistischen Analyse der Emissionsenergien der verschiedenen SF-Typen werden Emissionsenergien von 3.42, 3.35 und 3.29 eV für die intrinsischen (I1 und I2) sowie für extrinsische SF ermittelt. Aus den entsprechenden Energiedifferenzen wird -0.022C/m² als experimenteller Wert für die spontane Polarisation von GaN bestimmt. Die Bedeutung sowohl der piezoelektrischen Polarisation als auch die der Lokalisierung von Ladungsträgern wird für (In,Ga)N-Einschlüsse in GaN-ND gezeigt. Hierbei spielt nicht nur die Lokalisierung von Exzitonen, sondern auch die individueller Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Potentialminima eine Rolle. / In this thesis, the spectral and spatial luminescence distribution of heterostructures in self-induced nanowires (NWs) is investigated by cathodoluminescence spectroscopy in a scanning electron microscope. This method is complemented by data from both continuous and time-resolved micro-photoluminescence measurements. Three different structures are considered: (i) GaAs NWs containing segments of the wurtzite (WZ) and zincblende (ZB) polytypes, (ii) GaN microcrystals overgrown on GaN NWs, and (iii) (In,Ga)N insertions embedded in GaN NWs. The polytypism of GaAs NWs results in complex emission spectra. The observation of luminescence either exclusively at energies below the ZB band gap or also at higher energies is explained by differences in the distribution of ZB and WZ segment thicknesses. Measurements at room temperature suggest that the band gap of WZ GaAs is at least 55 meV larger than that of the ZB phase. The luminescence spectra of the GaN microcrystals contain distinct emission lines associated with stacking faults (SFs). SFs essentially constitute ZB quantum wells of varying thickness in a WZ matrix and it is shown that their emission energy is dominated by the spontaneous polarization. Through a detailed statistical analysis of the emission energies of the different SF types, emission energies of 3.42, 3.35 and 3.29 eV are determined for the intrinsic (I1 and I2) as well as the extrinsic SFs, respectively. From the corresponding energy differences, an experimental value of -0.022C/m² is derived for the spontaneous polarization of GaN. The importance of both carrier localization and the quantum confined Stark effect induced by the piezoelectric polarization is shown for the luminescence of (In,Ga)N insertions in GaN NWs. Not only localized excitons, but also electrons and holes individually localized at different potential minima contribute to the observed emission.

Methoden der optischen Spektroskopie gestatten es, über die Licht-Materie-Wechselwirkung Aussagen über verschiedene Materialsysteme zu treffen. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Potential von stationären und transienten optischen Methoden– u.a. der Nahfeldmikroskopie– zur qualitativen und quantitativen Analyse prototypischer Materialsysteme genutzt. Die Kombination von aufeinander abgestimmten organischen und anorganischen Materialien führt auf so genannte Hybridsysteme. Die Vielzahl verschiedener Halbleiter- und Molekülsysteme lässt eine Vielzahl möglicher Hybride zu. Diarylethene (DTE) bilden eine Klasse photochromer molekularer Systeme. In der Arbeit wird der Frage nach den fundamentalen optischen Eigenschaften und dem Schaltverhalten des hier vorliegenden prototypischen DTE nachgegangen. Die zweite untersuchte Klasse von Systemen sind Hybride, welche aus dem anorganischen Halbleiter Zinkoxid (ZnO) und einer molekularen Bedeckung bestehen. Bei den Untersuchungen dieser Hybride wurde der Frage nach den optisch induzierten physikalischen Prozessen an bzw. in der Grenzschicht zwischen der molekularen Bedeckung und dem anorganischen Halbleiter nachgegangen. Im Speziellen wurde ein exzitonischer Oberflächenzustand (SX) beobachtet. Die Anwendung zeitaufgelöster Tieftemperaturnahfeldmikroskopie deckt die Transporteigenschaften der SX entlang der Oberfläche auf. Weiterhin wurden prototypische Laserdioden auf der Basis des Halbleiters Galliumnitrid (GaN) untersucht. Der Unterschied zwischen den hier untersuchten GaN-Bauelementen liegt in der Materialzusammensetzung der in die Bauelemente integrierten Wellenleiter. Eine Optimierung der Wellenleiter kann zu einer Steigerung der Effizienz der Bauelemente führen. Die Analyse der Bauelemente erfolgte mit Methoden der Nahfeldmikroskopie. Die Experimente decken Unterschiede in der Struktur der Bauelemente auf und erlauben Messungen der in den Wellenleitern geführten Lasermoden. / Methods of optical spectroscopy allow for the investigation of diverse material systems via the interaction between light and matter. Stationary and transient methods of optical spectroscopy were exploited– particularly near-field scanning optical microscopy– for qualitative and quantitative analyses of prototypical material systems. The combination of organic and inorganic materials which are adapted to each other yields a so-called hybrid system. The wide range of different semiconductor materials and molecular systems available results in a multitude of hybrid systems. Diarylethenes (DTE) form one class of photoswitchable molecular systems. This work focuses on the fundamental optical properties and the photochromic switching behavior of a prototypical DTE species. The second class of investigated prototypical sample systems consists of the inorganic semiconductor zinc oxide (ZnO) covered with molecular monolayers. The studies performed on this sample system focus on optically-induced physical processes localized at the interface between the inorganic semiconductor and the organic adlayer. In particular, a surface-excitonic state (SX) was investigated. The application of time-resolved low-temperature near-field scanning optical microscopy enables the monitoring of lateral SX transport along the organic-inorganic interface. The third prototypical sample class considered consists of two gallium nitride (GaN) diode lasers. The difference between the two investigated prototypical diode lasers is the different material composition of the waveguides integrated within the lasers. An optimization of the waveguide material composition may be used to increase the laser efficiency. Near-field scanning optical microscopy was used to analyze the two different diode lasers. The experiments show the structural differences between the distinct laser architectures and revealed the mode profiles of the waveguides within the diode lasers.

In dieser Arbeit wird das lokal aufgelöste Deformationsfeld einzelner (In,Ga)N/GaN Drähte mit Hilfe nanofokussierter Röntgenbeugung und der Methode der Finiten Elemente untersucht. Hiermit soll ein Beitrag zum grundlegenden Verständis der optischen Eigenschaften geleistet werden, die durch das Deformationsfeld maßgeblich beeinflusst werden. Zunächst wird die Abhängigkeit der vertikalen Normalkomponente, epsilon_zz, des elastischen Dehnungstensors von der Geometrie eines axialen (In,Ga)N/GaN Nanodrahtes diskutiert. Dabei wird ein signifikant negativer epsilon_zz-Wert beobachtet, sobald das Verhältnis von Nanodrahtradius und (In,Ga)N-Segmentlänge gegen eins strebt. Auffallend große Scherkomponenten und eine konvexe Verformung der äußeren Oberfläche begleiten das Auftreten des negativen epsilon_zz- Wertes und sind die Ursache dieses Effekts. Durch eine Ummantelung von GaN-Nanodrähten mit einer (In,Ga)N-Schale lässt sich die aktive Fläche und somit die potentielle Lichtausbeute pro Fläche im Vergleich zu planaren Strukturen deutlich erhöhen. Es wurde jedoch festgestellt, dass das entlang der Drahthöhe emittierte Licht rotverschoben ist. Um den Ursprung dieses Phänomens zu beleuchten, wird das lokale Deformationsfeld mit Hilfe nanofokussierter Röntgenbeugung vermessen. Durch die gute räumliche Auflösung ist es möglich, das Deformationsfeld innerhalb einzelner Seitenfacetten zu untersuchen, wobei ein deutlicher Gradient festgestellt wird. Basierend auf dem mit der Methode der Finiten Elemente simulierten Deformationsfeld und kinematischen Streusimulationen, ist es möglich, den Deformationszustand in einen In-Gehalt zu übersetzen. Wenn neben dem Deformationsfeld auch der strukturelle Aufbau in der Simulation berücksichtigt wird, kann der In-Gehalt mit noch größerer Genauigkeit bestimmt werden. / In this thesis, nanofocus x-ray diffraction and the finite element method are applied to analyze the local strain field in (In,Ga)N/GaN nanowires and micro-rods which are discussed as candidates for a plethora of future optoelectronic applications. However, to improve and tailor their properties, a fundamental understanding on the level of individual objects is essential. In this spirit, the dependence of the vertical normal component, epsilon_zz, of the elastic strain tensor on the geometry of an axial (In,Ga)N/GaN nanowire is systematically analyzed using the finite element method. Hereby, it is found that if the ratio of nanowire radius and (In,Ga)N segment length approaches unity, a significantly negative epsilon_zz value is observed. This stands in stark contrast to naive expectations and shows that the common knowledge about planar systems where epsilon_zz would always be greater or equal zero cannot easily be translated to nanowires with an equivalent material sequence. As the origin of this effect significant shear strains are discussed which go along with a convex deformation of the outer surface resulting in a highly complex strain distribution. The increased active area of core-shell (In,Ga)N/GaN micro-rods makes them promising candidates for next-generation light emitting diodes. However, it is found that the emission wavelength is significantly red-shifted along the rod height. To shed light on the origin of this phenomenon, nanofocus x-ray diffraction is applied to analyze the local strain field. Due to the high spatial resolution it is possible to investigate the strain field within individual side-facets and to detect a significant gradient along the rod height. Based on the deformation field simulated using the finite element method and subsequent kinematic scattering simulations it is possible to translate the strain state into an In content.

In dieser Arbeit untersuchen wir die grundlegenden Wachstums- und Relaxationsprozesse, die es erlauben den Verzerrungszustand von GaN (0001) beim Wachstum auf Silizium (111) Substraten einzustellen und die resultierende Dichte an Durchstoßversetzungen zu reduzieren. Zu deren Analyse werden GaN (0001) Schichten, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxy abgeschieden worden sind, hauptsächlich mit transmissionselekronenmikroskopischen Methoden untersucht. Die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit sind: (i) Der Aufbau einer kompressiven Verzerrung von GaN (0001) Filmen mittels AlGaN Zwischenschichten beruht auf einer Asymmetrie der plastischen Relaxation an den beiden Grenzflächen der AlGaN Zwischenschicht. Fehlpassungsversetzungen bilden sich zwar an beiden Grenzflächen aus, jedoch ist der mittlere Abstand zwischen Versetzungslinien an der unteren Grenzfläche kleiner, als an der oberen. (ii) Plastische Relaxation von verzerrten (0001) Wurtzit Schichten erfolgt im Wesentlichen durch Bildung von a-Typ Fehlpassungsversetzungen im 1/3 |{0001} Gleitsystem. Diese bilden sich aber nur dann, wenn die verzerrten Schichten eine 3-D Morphologie aufweisen. Eine quantitative Modellierung dieses Prozesses zeigt, dass die kritische Schichtdicke für das Einsetzen der plastischen Relaxation wesentlich vom Wachstumsmodus bestimmt wird. (iii) Eine Silizium Delta-Dotierung der GaN (0001) Oberfläche führt zum Wachstum einer kohärenten Sub-Monolage SiGaN3, die eine periodisch Anordnung von Silizium- und Galliumatomen, sowie Galliumvakanzen aufweist. Da das Wachstum von GaN direkt auf der SiGaN3-Monolage unterdrückt ist, tritt ein Übergang zu 3-D Inselwachstum auf, das zunächst ausschließlich in Löchern der SiGaN3-Monolage anfängt. Eine hohe Konzentration von Silizium auf der GaN (0001) Oberfläche wirkt also als Anti-Surfactant beim epitaktischen Wachstum von GaN. Rechnungen mittels der Dichtefunktionaltheorie liefern Erklärungen für das beobachtete Wachstumsverhalten. / In this work we study the basic growth and relaxation processes that are used for strain and dislocation engineering in the growth of GaN (0001) films on silicon (111) substrates. To analyse these processes, samples, grown by metalorganic vapour phase epitaxy were investigate by means of transmission electron microscopy. Our investigations have revealed the following main results: (i) Strain engineering and build-up of compressive strain in GaN (0001) films by means of AlGaN interlayer is based on an asymmetry in plastic relaxation between the two interfaces of the AlGaN interlayer. Although misfit dislocation networks form at both interfaces of the interlayer, the average spacing of dislocation lines at the lower interface is smaller than that at the upper one. (ii) Plastic relaxation of strained (0001) wurtzite films is caused mainly by formation of a-type misfit dislocations in the 1/3 |{0001} slip-system. These a-type misfit dislocations form once the strained films undergo a transition to a 3-D surface morphology, e.g. by island growth or cracking. Quantitative modelling of this process reveals that the critical thickness for nucleation of a-type misfit dislocations depends next to the lattice mismatch mainly on the growth mode of the film. (iii) Silicon delta-doping of the GaN (0001) surface leads to the growth of a coherent sub-monolayer of SiGaN3 that shows a periodic arrangement of silicon and gallium atoms and gallium vacancies. Since growth of thick GaN layers directly on top of the SiGaN3-monolayer is inhibited a transition towards 3-D island growth occurs, whereby GaN islands exclusively nucleate at openings in the SiGaN3-monolayer. A high concentration of silicon on the GaN (0001) surface thus acts as an anti-surfactant in the epitaxial growth of GaN. Our density functional theory calculations provide an explanation for both the self-limited growth of the SiGaN3-monolayer, as well as for the blocking of GaN growth on top of the SiGaN3-monolayer.

La thèse porte sur le développement de composants à base d’hétérojonction AlGaN/GaN. Cette hétérojonction permet de bénéficier d’une excellente mobilité (2000 cm²/V.s) grâce à l’apparition d’un gaz d’électron dans le GaN. Cependant, les composants fabriqués sur cette hétérojonction sont normally-on. Pour des raisons de sécurité et d’habitude de conception des composants normally-off sont nécessaires. Il existe de nombreuses façons de fabriquer des transistors normally-off à base d’hétérojonction AlGaN/GaN, dans cette thèse nous avons choisi d’étudier un MOSCHEMT, cette structure est caractérisée par une grille de type MOS et des accès de type HEMT possédant les excellentes propriétés de l’hétérojonction, en fonction des paramètres technologiques : épitaxie, process et structure des composants. L’une des variations technologiques étudiées est une structure cascodée permettant d’améliorer les performances à l’état passant sans détériorer la caractéristique en blocage des composants. L’objectif est de concevoir un composant normally-off sur substrat silicium 200 mm avec une tension de seuil supérieure à 1V, pouvant tenir 600 V en blocage, avec un calibre en courant entre 10 A et 30 A et compatible en salle blanche CMOS. Le manuscrit comporte quatre chapitres. Grâce à une étude bibliographique, le premier chapitre présente les différentes méthodes permettant d’obtenir un transistor normally-off à base de nitrure de gallium. Ce chapitre présente et justifie le choix technologique du CEA-LETI. Le deuxième chapitre présente les modèles ainsi que les méthodes de caractérisations utilisés au cours de la thèse. Le troisième chapitre traite des résultats obtenus en faisant varier les paramètres de fabrication sur les MOSC-HEMT. Enfin, le quatrième chapitre montre une étude sur une technologie innovante de type cascode. Cette structure doit permettre d’augmenter la tension de claquage des transistors sans détériorer l’état passant. / This thesis focuses on the development of AlGaN/GaN heterojunction components or HEMT. This heterojunction has an excellent mobility (2000 cm² / V.s) thanks to the appearance of an electron gas in the GaN. However, the components made with this heterojunction are normally-on. For safety reasons particularly, normally-off components are required. There are many ways to make normally-off transistors based on AlGaN/GaN heterojunction. In this thesis we chose to study a MOSCHEMT strucutre. This structure is characterized by a MOS type gate and HEMT type accesses. The study shows the effects of technological parameters (epitaxy, process and component structure) on the electrical behaviour of the components. Another structure studied is the monolithic cascode, which can improve on-state performance of the MOSC-HEMT without damaging the characteristic in reverse of the components. The objective of this thesis is to design a normally-off component on silicon substrate 200 mm with a threshold voltage higher than 1V, able to hold 600 V in reverse, with a current rating between 10 A and 30 A and compatible in CMOS clean room. The manuscript has four chapters. Through a bibliographic review, the first chapter presents the different methods to obtain a normally-off transistor based on gallium nitride. This chapter presents and justifies the technological choice of CEA-LETI. The second chapter presents the models as well as the methods of characterizations used during the thesis. The third chapter deals with the results obtained by varying the manufacturing parameters on the MOSC-HEMTs. Finally, the fourth chapter shows a study on innovative cascode technology. This structure must make it possible to increase the breakdown voltage of the transistors without damaging the on state.

La passivation de la surface des semi-conducteurs III-V est une technique adaptée pour éliminer les effets indésirables qui perturbent le bon fonctionnement des dispositifs optoélectroniques. L’objectif de ce travail est de passiver la surface du GaAs par nitruration par plasma N2 généré par deux sources de nitruration différentes : la GDS (Glow Discharge Source) et l’ECR (Electron Cyclotron résonance). Une première étude basée sur des mesures AR-XPS, des simulations DFT et un modèle cinétique raffiné a permis d’identifier les trois étapes principales du processus de nitruration en mettant en évidence plusieurs phénomènes physiques. Une deuxième étude des effets de la passivation du GaAs par la couche mince de GaN créée en surface permet d’optimiser les paramètres expérimentaux du processus de nitruration pour tendre vers une passivation optimale. Ainsi, la structure des couches de GaN élaborés est déterminée par diffraction d’électrons lents (LEED) après une cristallisation par un recuit à 620°C et par des images MEB. De plus, la passivation chimique de la surface des couches de GaAs nitrurées après exposition à l’air est étudiée par des mesures AR-XPS et l’amélioration de la photoluminescence du GaAs après nitruration est mise en évidence par des mesures µPL. Finalement, le processus de nitruration a révélé un intérêt pour optimiser les paramètres électriques des diodes Schottky à base de GaAs. / The surface passivation of III-V semiconductors is a suitable process to eliminate the side effects which disrupt the smooth operation of the optoelectronic devices. The aim of this thesis is to investigate passivation of the GaAs surface by nitridation using N2 plasma generated by two different sources: the GDS (Glow discharge source) and ECR (Electron Cyclotron Resonance). Our first study based on AR-XPS measurements, DFT simulations and a refined kinetic model permits identification of the three main steps of the nitriding process exhibiting several physical phenomena. Our second study of the GaAs passivation effects by growing a GaN thin layer on the surface makes it possible to optimize the experimental parameters of the nitriding process in order to tend towards optimal passivation. Firstly, the elaborated GaN layer structure is obtained by LEED patterns after their crystallization by an annealing at 620°C as well as the surface morphology obtained by SEM images. Then, chemical passivation of the nitrided GaAs layers is studied by AR-XPS measurements and the photoluminescence improvement of the GaAs substrate after nitridation is highlighted by µPL measurements. Finally, the nitridation process benefits electrical parameters of the Schottky diodes based on GaAs, optimizing them.

Ce document présente les travaux de thèse ayant pour objet la recherche et développement d’une technologie co-intégrée HEMT GaN normale-on/normally-off compatible avec les matériaux et procédés technologiques de la technologie normally-on hyperfréquence. Un exposé théorique et une revue de l’état de l’art permettent d’abord d’entrevoir les différentes solutions technologiques qui s’offrent à nous, tout en affirmant et en précisant les applications visées. Différentes briques technologiques sont ensuite développées pour la fabrication de MOS-HEMTs GaN à recess de grille sur des épi-structures à barrière AlGaN ou (Ga)InAlN dédiées aux applications hyperfréquences. Nous insistons sur la possibilité d’intégrer les 2 fonctionnalités normally-off et normally-on de manière monolithique. Les échantillons ainsi réalisés sont ensuite caractérisés électriquement de manière conventionnelle, mais aussi en utilisant des techniques avancées de spectroscopie de pièges comme les paramètres S à basse fréquence et la mesure du transitoire de RON. Bien que certains phénomènes de piègeage dans l’oxyde de grille soient mis en évidence, les résultats sont très satisfaisants : des composants normally-off sont obtenus pour les 2 structures, et les performances sont au niveau de l’état de l’art mondial, avec plusieurs pistes d’amélioration en perspective. / This document reports on research and development efforts towards a normally-on/normally-off integrated GaN HEMT technology that remains compatible with the material and processing dedicated to normally-on microwave devices. Following several theoretical considerations, the state-of-the-art is presented, which gives a perspective on the available technological solutions and helps define the specifications and the targeted applications. The development and optimization of new process steps enables the fabrication of gate-recessed MOS-HEMTs on epi-structures with AlGaN or (Ga)InAlN barrier, monolithically integrable with normally-on transistors. The samples are electrically characterized by means of standard measurements and more advanced trap spectroscopy techniques such as low-frequency S-parameters or RON transient monitoring. In spite of oxide-related trapping phenomena, the results are very promising: normally-off devices are obtained for both structures, and the performances are in line with literature accounts while identified possible improvements can be explored.

High Electron Mobility Transistoren (HEMTs), basierend auf dem Materialsystem GaN/AlGaN/GaN, wurden entworfen, hergestellt und elektrisch charakterisiert. Für das Maskendesign kam das CAD-Programm LasiCAD zum Einsatz. Das Design umfasste bis zu sechs Lithographieebenen. Die Herstellung der Bauelemente geschah unter Reinraumbedingungen und unter Nutzung einer vorhandenen Technologie für Transistoren mit kleiner Gate-Peripherie (Doppelgate-Transistoren), die teilweise optimiert wurde. Daneben wurden Prozesse zur Herstellung von Multifinger-HEMTs entwickelt, wobei die Metallisierung der Drainkontakte mittels Electroplating von Gold vorgenommen wurde. Zur elektrischen Charakterisierung der Bauelemente wurden sowohl Gleichstromcharakteristiken, d.h. die Ausgangskennlinienfelder und Verläufe der Steilheit, als auch das Großsignalverhalten für cw-Betrieb bei 2 GHz gemessen. Dabei zeigten die Transistoren eine auf die Gatebreite bezogene Ausgangsleistungsdichte von mehr als 8 W/mm und eine Effizienz größer als 40%, einhergehend mit vernachlässigbarer Drainstromdispersion der unpassivierten Bauelemente.