Diese Arbeit präsentiert Untersuchungen zum Wachstum von GaAs Nanodrähten (NWs) und (In,Ga)As Hüllen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit sekundärem Fokus auf den optischen Eigenschaften solcher Kern-Hülle Strukturen. Das ortsselektive Wachstum von GaAs NWs auf mit Oxidmasken beschichteten Si Substraten wird untersucht, wobei der entscheidende Einfluss der Oberflächenpreparation auf die vertikale Ausbeute von NW Feldern aufgedeckt wird. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein zweistufiger Wachstumprozess präsentiert der es ermöglicht NWs mit dünner und gerade Morphologie zu erhalten ohne die vertikale Ausbeute zu verringern. Für die detaillierte Beschreibung der NW Form wird ein Wachstumsmo- dell entwickelt, das die Einflüsse der Veränderung der Tropfen Größe während des Wachstums sowie direktes des Wachstums auf den NW Seitenwänden umfassend beschreibt. Dieses Wachstumsmodell wird benutzt für die Vorhersage der NW Form über einen großen Parameterraum um geeignete Bedingungen für die Realisierung von erwünschten NW Formen und Dimensionen zu finden. Ausgehend von diesen NW Feldern werden die optimalen Parameter für das Wachstum von (In,Ga)As Hüllen untersucht und wir zeigen, dass die Anordnung der Materialquellen im MBE System die Materialqualität entscheidend beeinflusst. Die dreidimensionale Struktur der NWs in Kombination mit der Substratrotation und der Richtungsabhängigkeit der Materialflüsse in MBE resultieren in unterschiedlichen Flusssequenzen auf der NW Seitenfacette welche die Wachstumsdynamik und infolgedessen die Punktde- fektdichte bestimmen. An Proben mit optimaler (In,Ga)As Hülle und äußerer GaAs Hülle zeigen wir, dass thermionische Emission mit anschließender nichtstrahlender Rekombination auf der Oberfläche zu einem starken thermischen Verlöschen der Lumineszenz Intensität führt, welches durch das Hinzufügen einer AlAs Barrierenhülle zur äußeren Hüllenstruktur erfolgreich unterdrückt werden kann. Abschließend wird ein Prozess präsentiert der das ex-situ Tempern von NWs bei hohen Temperaturen ermöglicht, was in der Reduzierung von Inhomogenitäten in den (In,Ga)As Hüllenquantentöpfen führt und in beispiellosen optischen Eigenschaften resultiert. / This thesis presents an investigation of the growth of GaAs nanowires (NWs) and (In,Ga)As shells by molecular beam epitaxy (MBE) with a second focus on the optical properties of these core-shell structures. The selective-area growth of GaAs NWs on Si substrates covered by an oxide mask is investigated, revealing the crucial impact of the surface preparation on the vertical yield of NW arrays. Based on these results, a two-step growth approach is presented that enables the growth of thin and untapered NWs while maintaining the high vertical yield. For a detailed quantitative description of the NW shape evolution, a growth model is derived that comprehensively describes the NW shape resulting from changes of the droplet size during elongation and direct vapour-solid growth on the NW sidewalls. This growth model is used to predict the NW shape over a large parameter space to find suitable conditions for the realization of desired NW shapes and dimensions. Using these GaAs NW arrays as templates, the optimum parameters for the growth of (In,Ga)As shells are investigated and we show that the locations of the sources in the MBE system crucially affect the material quality. Here, the three-dimensional structure of the NWs in combination with the substrate rotation and the directionality of material fluxes in MBE results in different flux sequences on the NW sidefacets that determine the growth dynamics and hence, the point defect density. For GaAs NWs with optimum (In,Ga)As shell and outer GaAs shell, we demonstrate that thermionic emission with successive nonradiative recombination at the surface leads to a strong thermal quenching of the luminescence intensity, which is succesfully suppressed by the addition of an AlAs barrier shell to the outer shell structure. Finally, a process is presented that enables the ex-situ annealing of NWs at high temperatures resulting in the reduction of alloy inhomogeneities in the (In,Ga)As shell quantum wells and small emission linewidths.

Das zentrale Ziel der vorliegenden Arbeit besteht einerseits darin, die Verteilung von Gd in GaN:Gd mit Gd-Konzentrationen von 10^16–10^19 cm^-3 mittels fortgeschrittener (Raster-) Transmissionselektronenmikroskopie [(S)TEM] zu bestimmen. Darauf basierend wird zum anderen das Verständnis des Mechanismus, der diese Verteilungen bewirkt, entwickelt. Wir diskutieren detailliert die Anwendung und die Grenzen von (S)TEM-Abbildungsmethoden und quantitativen Analysenmethoden und von Modellierungsmethoden, um Nano-Cluster in epitaktischen Halbleiterschichten zu beobachten und zu analysieren. Außerdem werden Fallstudien zweier Materialsysteme betrachtet, die offensichtlich Nano-Cluster aufweisen. Schließlich sind wir in der Lage, die in GaN:Gd auftretenden GdN-Cluster zu identifizieren und ihre atomare Struktur zu bestimmen. Dehnungskontrastabbildungen mit Kontrastberechnungen belegen eindeutig das Auftreten von kleinen, plättchenförmigen GdN-Clustern. Diese Cluster weisen nahezu gleiche Abmessungen auf und liegen mit der ausgedehnten Fläche parallel zu den GaN(0001)-Basalebenen. Dieses Ergebnis wird durch Dunkelfeld-STEM-Abbildungen (Z-Kontrast), bestätigt. Die starke, lokale Gitterdehnung (Verzerrungsfeld), die durch die Cluster hervorgerufen wird, ist in HRTEM-Aufnahmen abgebildet und quantitativ ausgewertet worden. Durch den Vergleich von Verzerrungsfeldern, die experimentell ermittelt worden sind, mit theroretischen Feldern schließen wir auf Cluster aus zweilagigen GdN-Plättchen mit einem Durchmesser von wenigen Gd-Atomen. Ihre interne Struktur entspricht etwa der NaCl-Phase des GdN. Dieses atomare Strukturmodell erlaubt unsere Diskussion der Energieverhältnisse der Cluster. Die Ergebnisse implizieren, dass die treibende Kraft für die beobachtete Plättchengröße ein Gleichgewicht zwischen der Zunahme von kohäsiver Energie und der Einschränkung durch die Dehnungsenergie an der Grenzfläche zwischen GdN-Cluster und GaN-Wirtsgitter aufgrund der Gitterfehlanpassung ist. / The central goal of this dissertation is (1) to clarify the distribution of Gd atoms in GaN:Gd with Gd concentration in the range between 10^16–10^19 cm^-3 by means of advanced (scanning) transmission electron microscopy [(S)TEM]; and based on that, (2) to understand the mechanisms that control such distribution. We discuss in detail the application and limitations of (S)TEM imaging and analysis techniques and modeling methods dedicated to the study of embedded nano-clusters. Besides, two case studies of semiconductor material systems that contain apparently observable nano-clusters are considered. One is about intentionally grown InAs nano-clusters embedded in Si and the other study the formation and phase transformation of Bi-containing clusters in annealed GaAsBi epilayers. Finally, we are able to identify the occurrence of GdN clusters in GaN:Gd samples and to determine their atomic structure. Strain contrast imaging in conjunction with contrast simulation unambiguously identifies the occurrence of small, platelet-shaped GdN clusters. These clusters are nearly uniform in size with their broader face parallel to the GaN (0001) basal plane. The result is confirmed by dark-field STEM Z-contrast imaging. The strong local lattice distortion (displacement field) induced by the clusters is recorded by HRTEM images and quantitatively analyzed. By comparing the displacement fields which are analyzed experimentally with these fields that are derived from energetically favored models, we conclude that the clusters are bilayer GdN with platelet diameter of only few Gd atoms; their internal structure is close to rocksalt GdN. This atomic structure model enables our discussion about the energetics of the clusters. The results indicate that the driving force for the formation of observed platelet in specific size is a compromise between the gain in cohesive energy and the penalty from interfacial strain energy due to lattice mismatch between the GdN cluster and GaN host.

Cette thèse porte sur l’étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l’intégration monolithique d’un émetteur de lumière sur silicium à base d’un matériau semiconducteur III-V. Le développement d’un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d’un très fort désaccord de maille qui rend difficile l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l’interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu’elle est de type II et donc peu efficace pour l’émission de lumière. L’approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d’In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D’un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l’influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d’In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques …) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d’In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d’In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu’il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d’In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n’a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l’In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l’interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d’enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l’élaboration de boîtes quantiques d’In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l’encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d’épitaxie par jets moléculaires III-V. / This thesis focuses on the study of the self-organized growth of In(Ga)As quantum dots (QDs) on a silicon substrate. The purpose of this work is to pave the way for a monolithic integration of III-V semiconductor-based light emitter on silicon. One of the big challenges of this project is to overcome the high lattice mismatch between InGaAs and Si which can induce structural defects in the QDs. Another key challenge comes from the expected type II In(Ga)As/Si interface that is detrimental for efficient light emission. In order to solve the “interface type” issue, we suggested to insert the In(Ga)As QD plane inside a thin silicon layer grown on a SOI substrate. Confinement effects of the Si/SiO2 quantum well are expected to raise the X-valley of the Si conduction band above the Γ-valley, leading to a type I interface in both direct and reciprocal space. The influence of different parameters (such as the amount of deposited In(Ga)As, the growth temperature, the V/III ratio and the gallium content...) on the growth mode and on the structural and optical properties of the In(Ga)As QDs grown on Si(001) are experimentally studied. We propose an interpretation of the microscopic phenomena governing the formation of the QDs as a function of gallium content. We finally show the possibility of making In0,4Ga0,6As QDs on Si(001) substrates, these QDs being free of ‘plastic relaxation’-related structural defects. The expected luminescence from the QDs was not obtained probably due to two incompatible conditions: the first, required for growing high structural quality QDs (possible only for In(Ga)As containing less than 50% of In) and the second, essential for maintaining a type I interface band alignment (theoretically possible for an In content greater than 50%). This work is contributing to the understanding of In(Ga)As QDs growth on Si(001) substrates and to the know-how of capping such QDs with silicon inside a III-V molecular beam epitaxy reactor.

Cette thèse porte sur l'étude de la croissance auto-organisée de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de silicium visant à l'intégration monolithique d'un émetteur de lumière sur silicium à base d'un matériau semiconducteur III-V. Le développement d'un tel système se heurte à deux verrous majeurs : le premier provient d'un très fort désaccord de maille qui rend difficile l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si présentant de bonnes qualités structurales et optiques, et le second provient de la nature électronique de l'interface entre In(Ga)As et le Si dont il est prédit qu'elle est de type II et donc peu efficace pour l'émission de lumière. L'approche que nous avons proposée consiste à insérer des BQs d'In(Ga)As dans un puits quantique de silicium dans SiO2, fabriqué sur un substrat SOI. Les effets attendus de confinement quantique dans le puits de Si favoriseraient une interface In(Ga)As/Si de type I. D'un point de vue expérimental, nous avons donc étudié l'influence de différents paramètres de croissance (température de croissance, rapport V/III, quantité d'In(Ga)As déposé, teneur en indium des boîtes quantiques ...) sur le mode de croissance et sur les propriétés structurales et optiques des BQs d'In(Ga)As épitaxiées sur substrat de Si(001). Nous avons proposé une interprétation des phénomènes microscopiques qui régissent la formation des boîtes quantiques d'In(Ga)As sur Si en fonction de la teneur en indium. Nous avons aussi montré qu'il est possible de fabriquer des boîtes quantiques d'In0,4Ga0,6As sur Si ne présentant pas de défauts structuraux liés à la relaxation plastique. La luminescence attendue des boîtes quantiques n'a pas pu être obtenue, probablement en raison de deux conditions requises mais antagonistes: la fabrication de boîtes quantiques de très haute qualité structurale (possible uniquement pour de l'In(Ga)As avec une teneur en In inférieure à 50%) et un alignement de bandes à l'interface BQs In(Ga)As/Si de type I (possible théoriquement pour une teneur en In supérieure ou égale à 70%). Ce travail a permis d'enrichir la connaissance et le savoir-faire concernant l'élaboration de boîtes quantiques d'In(Ga)As sur substrat de Si(001) et l'encapsulation de ces boîtes quantiques par du silicium dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires III-V.

Two dimensional (2D) systems with low carrier density is an outstanding platform for studying a wide spectrum of physics. These include both classical and quantum effects, arising from disorder, Coulomb interactions and even non-trivial topological properties of band-structure. In this thesis, we have explored the physics at low carrier number density in GaAs/AlGaAs heterostructure and bilayer graphene, by investigating in a larger phase space using a variety of electrical measurement tools. A two-dimensional electron system (2DES) formed in a GaAs/AlGaAs heterostructure offers an avenue to build a variety of mesoscopic devices, primarily because its surface gates can very effectively control its carrier density profile. In the first half of the thesis, we study the relevance of disorder in two kinds of devices made in a 2DES. A very strong negative gate voltage not only reduces the carrier density of the 2DES, but also drives it to a disordered state. In this state, we explore a new direction in parameter space by increasing in-plane electric field and investigating its magneto-resistance (MR). At sufficiently strong gate voltage and source-drain bias, we discover a remarkably linear MR. Its enormous magnitude and weak temperature dependence indicate that this is a classical effect of disorder. In another study, we examine a specially designed dual-gated device that can induce low number density in a periodic pattern. By applying appropriate gate voltages, we demonstrate the formation of an electrostatically tunable quantum dot lattice and study the impact of disorder on it. This work is important in paving way for solid state based platform for experimental simulations of artificial solids. The most striking property of bilayer graphene is the ability to open its band gap by a perpendicular electric field, giving the prospects of enabling a large set of de-vice applications. However, despite a band gap, a number of transport mechanisms are still active at very low densities that range from hopping transport through bulk to topologically protected 1D transport at the edges or along 1D crystal dislocations. In the second half of the thesis, we have used higher order statistical moment of resistance/conductance fluctuations, namely the variance of the fluctuations, to complement averaged resistance/conductance, and study and infer the dominant transport mechanism at low densities in a gapped bilayer graphene. Our results show possible evidence of percolative transport and topologically protected edge transport at different ranges of low number densities. We also explore the same phase space by studying its mesoscopic conductance fluctuations at very low temperatures. This is the first of its kind systematic experiment in a dual-gated bilayer graphene device. Its conductance fluctuations have several anomalous features suggesting non-universal behaviour which is at odds with conventional disordered systems.