Long-wavelength (1.3-μm) vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) are of great interest as low-cost, high performance light sources for fiber-optic metro and access networks. During recent years the main development effort in this field has been directed towards all epitaxial GaAs-based structures by employing novel active materials. Different active region candidates for GaAs-based 1.3-μm VCSELs such as GaInNAs/GaAs QWs, GaAsSb QWs or InAs/InGaAs QDs have been investigated. However, the difficult growth and materials properties of these systems have so far hampered any real deployment of the technology. More recently, a new variety of VCSELs have been developed at KTH as based on highly strained InGaAs QWs and negative gain cavity detuning to reach the 1.3-μm wavelength window. The great benefit of this approach is that it is fully compatible with standard materials and processing methods. The aim of this thesis is to investigate long-wavelength (1.3-μm) VCSELs using ~1.2-μm In0.4GaAs/GaAs Multiple Quantum Wells (MQWs). A series of QW structures, DBR structures and laser structures, including VCSELs and Broad Area lasers (BALs) were grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and characterized by various techniques: Photoluminescence (PL), high-resolution x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), high accuracy reflectance measurements as well as static and dynamic device characterization. The work can be divided into three parts. The first part is dedicated to the optimization and characterization of InGaAs/GaAs QWs growth for long wavelength and strong luminescence. A strong sensitivity to the detailed growth conditions, such as V/III ratio and substrate misorientation is noted. Dislocations in highly strained InGaAs QW structure and Sb as surfactant assisted in InGaAs QW growth are also discussed here. The second part is related to the AlGaAs/GaAs DBR structures. It is shown that the InGaAs VCSELs with doped bottom DBRs have significantly lower slope efficiency, output power and higher threshold current. By a direct study of buried AlGaAs/GaAs interfaces, this is suggested to be due to doping-enhanced Al-Ga hetero-interdiffusion. In the third part, singlemode, high-performance 1.3-μm VCSELs based on highly strained InGaAs QWs are demonstrated. Temperature stable singlemode performance, including mW-range output power and 10 Gbps data transmission, is obtained by an inverted surface relief technique. / QC 20101126

The study of quantum interference in solid-state systems yields insight in fundamental properties of mesoscopic systems. Electron quantum interference constitutes an important method to explore mesoscopic physics and quantum decoherence. This dissertation focuses on two-dimensional (2D) electron systems in $delta-$Si doped n-type In$_{0.64}$Ga$_{0.36}$As/In$_{0.45}$Al$_{0.55}$As, 2D hole systems in Si-doped p-type GaAs/Al$_{0.35}$Ga$_{0.65}$As and C-doped p-type GaAs/\Al$_{0.24}$Ga$_{0.76}$As heterostructures. The low temperature experiments study the magnetotransport of nano- and micro-scale lithographically defined devices fabricated on the heterostructures. These devices include a single ring interferometer and a ring interferometer array in 2D electron system, Hall bar geometries and narrow wires in 2D hole systems. The single ring interferometer yields pronounced Aharonov-Bohm (AB) oscillations with magnetic flux periodicity of h/e over a wide range of magnetic field. The periodicity was confirmed by Fourier transformation of the oscillations. The AB oscillation amplitude shows a quasi-periodic modulation over applied magnetic field due to local magnetic flux threading through the interferometer arms. Further study of current and temperature dependence of the amplitude of the oscillations indicates that the Thouless energy forms the measure of excitation energies giving quantum decoherence. An in-plane magnetic field was applied to the single ring interferometer to study the Berry's phase and the Aharonov-Casher effect. The ring interferometer array yields both AB oscillations and Altshuler-Aronov-Spivak (AAS) oscillations, the latter with magnetic flux periodicity of h/2e. The AAS oscillations require time-reversal symmetry and hence can be used to qualify time-reversal symmetry breaking. More importantly, the fundamental mesoscopic dephasing length associated with time-reversal symmetry breaking under applied magnetic field, an effective magnetic length, can be obtained by the analysis of the AAS oscillations over magnetic field. A theoretical model for confined ballistic system is confirmed by experimental data fitting. The AAS oscillations are barely resolved above 0.16 T and their amplitude decays with increasing magnetic field. The AB oscillations exist till above 2 T and their amplitude doesn't show the monotonic decay with increasing magnetic field. The different behavior of the AAS and AB oscillations originates in the different symmetries, respectively temporal and spatial, that they are sensitive to. The p-type 2D GaAs system has strong spin-orbit interaction (SOI). Antilocalization in a Hall bar geometry was analyzed by the 2D Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) theory to obtain the spin coherence time and phase coherence time. The 2D hole systems we studied have low density and high mobility, quite different from the 2D electron systems. These high-quality 2D hole systems demonstrate semi-classical ballistic phenomena in mesoscopic structures preferentially to quantum-coherence phenomena. / Ph. D.

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.

Die Dissertation beinhaltet Untersuchungen mittels optischer Rasternahfeldmikroskopie (SNOM)an epitaktisch gewachsenen Halbleiter-Nanostrukturen des Materialsystems GaAs/(Al,Ga)As, sowie Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM/MFM) an ferromagnetischen MnAs-Schichten auf GaAs. Der erste Teil der Arbeit widmet sich dem Aufbau und der Wirkungsweise eines neuen SNOM fürden Einsatz bei tiefen Temperaturen. Das Auflösungsvermögen des Mikroskopswird einmal in Hinblick auf die topographische Empfindlichkeit des Scanners in Richtung der Oberflächennormale, andererseits optisch-lateral charakterisiert. Es wird gezeigt, welche Möglichkeiten der Einsatz geätzter, unbedampfter Nahfeldsonden bietet. Im zweiten Teil werden nahfeld-optische Untersuchungen an GaAs-Quantenfilmen und GaAs-Quantendrähten vorgestellt. Die Grenzflächeneigenschaften der Quantenfilmstrukturen wurden per Wachstumsunterbrechung dahingehend beeinflusst, dass inselartige Gebiete konstanter Quantenfilmdicke entstehen, deren lateraler Durchmesser einige hundert Nanometer beträgt. Durch Photolumineszenzspektroskopie im SNOM kann die räumliche Verteilung der Inseln detektiert werden. Die optischen Nahfeldbilder geben einen interessanten Einblick in die Grenzflächenmorphologie des Quantenfilms und ermöglichen so Rückschlüsse auf die Wachstumsprozesse. Quantendrähte aus GaAs wurden in die intrinsische Zone einer p-i-n-Struktur eingebaut. Durch räumlich aufgelöste sowie energie-selektive Anregung von Photoströmen mittels SNOMkann das Verhalten von zusätzlich in der Struktur erzeugten Ladungsträgern auf den Gesamtstromfluss untersucht werden. Die Ergebnisse liefern ein verbessertes Verständnis über denProzess der selektiven Elektrolumineszenz, durch den diese Strukturen gekennzeichnet sind. Im letzten Teil werden strukturelle Untersuchungen an MnAs-Schichten vorgestellt, die auf GaAs(001) gewachsen wurden. Epitaktisch gewachsene MnAs-Schichten auf GaAs(001) zeigen eine Phasenkoexistenzvon ferromagnetischem und paramagnetischem MnAs unterhalb der Curie-Temperatur. Auf Grund dieser Besonderheit kommt es zur Ausbildung von periodischen elastischen Domänen in der Schicht. Die Entwicklung solcher Domänen wird mittels temperaturabhängiger Rasterkraftmikroskopiedirekt beobachtet. / In this thesis, investigations on both epitactically grown GaAs/(Al,Ga)As semiconductor nanostructures using near-field scanning optical microscopy (SNOM) as well as ferromagnetic MnAs films on GaAs using scanning force microscopy are presented.Setup, operation modes, and properties of a new SNOM designed for low-temperature experiments are discussed. In terms of resolution, both topographical sensitivity of the scanner and optical limitsare distinguished. Surprisingly, the use of uncoated optical fibre tips enables sufficient optical resolution, while the transmission increases dramtically compared to conventional SNOM probes. Using the SNOM setup, near-field optical experiments on GaAs quantum wells and GaAs quantum wiresare made. The interface properties of the quantum well structures had been influenced during growth by interrupting the growth process. Thus, island-like areas with constant well thickness are prepared, whose lateraldiameter is in the order of a few hundred nanometers.Near-field optical photoluminescence spectroscopy can detect the spatial distribution of the islands.The near-field optical images provide interesting insight into the interface morphology and henceabout the growth process itself. GaAs sidewall quantum wires had been grown such that they are built in the center of the intrinsic layer of a p-i-n LED structure.Applying the SNOM, spatially refined photocurrents are induced in the structure. The initial localisation of photogeneratedcharge carriers can also be chosen by varying the excitation energy.This enables a detailed study of how additionally generated carriers contribute to the photocurrent signal,the outcome of which provides deeper understanding in the process of a selective electroluminescenceof the structure. In the last part, structural investigations on MnAs film are discussed, which had been grown on GaAS(001) substrates.These films exhibit a phase coexistense of ferromagnetic and paramagnetic MnAs below the Curie temperature. As a result, periodic elastic domains of the coexisting phases are formed. The development of such domains is studied using temperature-dependent (magnetic) scanning force microscopy.The structural effects are discussed in connection with a theoretical model.

Das Co2FeSi/GaAs-Hybridsystem wurde hinsichtlich seiner Eignung für Anwendungen in der Spintronik untersucht. Die Heusler-Legierung Co2FeSi ist ein aussichtsreicher Kandidat für derartige Anwendungen, weil der vollständig geordneten Kristallphase Halbmetallizität, d. h. eine Spinpolarisation von 100% an der Fermi-Energie, vorhergesagt wird. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die elektrische Spininjektion und Spindetektion in lateralen Transportstrukturen in der sogenannten nicht-lokalen Konfiguration sowohl für die vollständig geordnete, als auch für eine teilweise ungeordnete Kristallphase mittels Spinventil- und Hanle-Messungen nachgewiesen. Die Abhängigkeiten der Spinsignale vom Strom und von der Temperatur konnten erklärt werden und eine Spininjektionsefizienz von 16 bzw. 9% wurde ermittelt. Für den praktischen Einsatz werden allerdings lokale Spinventile benötigt, deren Funktionsfähigkeit für beide kristallinen Ordnungen demonstriert wurde. Der Magnetowiderstand, der ein Maß für die Güte der lokalen Spinventile darstellt, beträgt 0.03% und liegt im Bereich des theoretisch zu erwartenden Wertes. Anhand des sogenannten Fert-Kriteriums konnten die Gründe für diesen niedrigen Wert aufgezeigt werden. Des Weiteren ließ ein Vergleich der lokalen und nicht-lokalen Spinsignale auf eine hohe Spinpolarisation des Co2FeSi schließen. Die Spinextraktion bietet neben der Spininjektion eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Spinakkumulation in einem Halbleiter. Die Stromabhängigkeiten von Spininjektion und Spinextraktion unterscheiden sich für beide kristallinen Phasen des Co2FeSi. Das stark unterschiedliche Verhalten konnte anhand des Einflusses der jeweiligen Bandstruktur auf die Spinerzeugung erklärt werden. Des Weiteren konnte aus dem Vergleich zwischen der Messungen und der theoretisch vorhergesagten Bandstruktur der halbmetallische Charakter der vollständig geordneten Kristallphase nachgewiesen werden. / The Co2FeSi/GaAs hybrid system was investigated regarding its suitability for spintronic applications. The Heusler-compound Co2FeSi is a promissing canditate for these kind of applications due to the predicted half-metallicity, i. e. a 100% spin polarisation at the Fermi energy, for its fully ordered crystall phase. The electrical spin injection and detection was demonstrated in lateral tranpost structures in the so called non-local geometry for the fully ordered and for a partly disordered crystall phase by observing spin valve signatures and Hanle characteristics. The current and temperature dependence of the spin signals was explained and a respective spin injection efficiencies of 16 and 9% determined. For practical use one needs local spin valves, which where demonstrated for both crystalline phases. The magnetoresistance, a measure of the goodness of a local spin valve, was 0.03%, i. e. in the theoretically expected range. Making use of the so-called Fert criterion the reasons for this low value could be pointed out. Further the quotient of the local and non-local spin signals implied a high spin polarisation of the Co2FeSi. Spin extraction is another method to create a spin accumulation in a semiconductor. The current dependece of the spin injection and the spin extraction signals strongly depends on the degree of ordering in the Co2FeSi lattice. The different behavior is explanied by the crucial influence of the respective electronic band structure on the spin generation processes. Further, the comparison between the measured signals and the theoretically calculated electronic band structure hints towards the half-metalicity of the fully ordered crystall phase of Co2FeSi.

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.

GaP ist ein Halbleiter mit einer großen Bandlückenenergie und infolgedessen transparent im größten Teil der sichtbaren Wellenlängen. GaP hat außerdem die kleinste Gitterfehlanpasung zu Si (weniger als 0.4%). Das macht GaP ein interessantes Material für monolithische Integration zu III–V Lichtsender auf Si. Diese Arbeit ist eine Untersuchung über die strukturellen und optische Eigenschaften von (Al, Ga) (As, P) Heterostrukturen auf GaP (001) -Substrat aufgewachsen. Die Einflüsse des PH3 Fluss und Wachstumstemperatur untersucht auf dem Kristallqualität und Oberflächenqualität von AlGaP/GaP Heterostructure. Experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Wachstumstemperatur von 490 oC und ein geknackter (engl. cracked) PH3 Fluss von 2.7 sccm zur besten AlGaP Qualität und gleichzeitig zur guten GaP Qualität führen. Um die ineffiziente Lichtemission von GaP zu überwinden wurde GaAs in der GaP-Matrix gewachsen. Die Entstehung der Quantenpunkte wurde durch die 3.7% Gitterfehlanpassung zwischen GaAs und GaP für GaAs Nenndicke über 1,2 ML. Die optischen Messungen zeigen zwei Peaks im Bereich von 1,7 bis 2,1 eV und die Lumineszenz auf Raumtemperatur für 2,7 und 3,6 ML-Proben. Die hohe Energieemission wird der indirekten Rekombination in den dünnen Quantentröge oder kleine gespannte Quantenpunkte zurückzuführen, Während die niedrige Energie Emission ist aufgrund der direkten Elektron-Loch- Rekombination in der entspannten Quantenpunkte. Die Wirkung von Al wird untersucht auf die energetische Bandausrichtung und auf die elektronische Struktur der (Al,Ga)As Quantenstrukturen. Die optische Spektren zeigten einen blaue Verschiebung (engl. blue shift) mit wachsendem Al-Inhalt und die höchste missionsenergie für die (Al,Ga)As/GaP- Heterostruktur war 2.17 eV die zum indirekten Typ-II-Rekombination zusammenhängt. / Transparency of GaP due to the large indirect bandgap energy and its small lattice mismatch with Si make GaP an interesting candidate for optoelectronic devices in visible wavelength. This thesis is an investigation on the structural and optical characteristics of (Al,Ga)(As,P) heterostructures grown on GaP (001) substrates. The influences of the PH3 flux and growth temperature are studied on the crystal and surface quality of AlGaP/GaP heterostructure. The results indicate the narrow growth window of PH3 = 2.7 sccm and growth temperature = 490oC as the optimized conditions. To overcome the inefficient light emission of indirect GaP, direct bandgap GaAs was grown as the quantum structures in the GaP matrix. The QD formation is driven by the 3.7% lattice mismatch between GaAs and GaP for GaAs nominal thickness above 1.2 ML. The optical measurements show two peaks in the range of 1.7 to 2.1 eV and the luminescence up to room temperature for 2.7 and 3.6 ML samples. The high energy emission is attributed to indirect carrier recombination in the thin quantum wells or small strained quantum dots, whereas the low energy red emission is due to the direct electron-hole recombination in the relaxed quantum dots. The influence of the Al content on the band alignment and electronic structure of (Al,Ga)As quantum structures is studied. The optical spectra illustrate the blueshift of the radiative emission with increasing the Al content and the highest emission energy of 2.17 eV is observed for the (Al,Ga)As/GaP system that is related to the indirect type-II radiative recombination.

Das gitterfehlangepaßte Kristallwachstum führt unter bestimmten Bedingungen zu einem 3-D Wachstumsmodus, der oft Stranski-Krastanow-Wachstum genannt wird. Resultierende Strukturgrößen liegen in der Größenordnung 10 nm und die Halbleiterstrukturen besitzen daher Quanteneigenschaften. Sie stehen im Fokus grundlagenwissenschaftlichen Interesses, da künstliche Atome und Dimensionalitätseffekte an ihnen untersucht werden können. Auch von der Anwendungsseite wächst das Interesse, da niederdimensionale Strukturen hoher Kristallqualität und mit hoher gestalterischer Freiheit geschaffen werden können. In dieser Arbeit wurden Mischhalbleiter-Heterostrukturen der Dimensionalität d= 0,1 und 2 mittels Gasphasen-MBE hergestellt. Ziel war eine Korrelation der strukturellen mit den elektronischen und optischen Eigenschaften. Selbstformierende Quantendrähte und Quantenpunkte in leitfähigen Kanälen wurden in ihrem Einfluß auf den lateralen Transport untersucht. Weiterhin wird dargestellt, wie zusätzliche, durch Quantenpunkte induzierte Oberflächenzustände eine deutliche Verschiebung der Energie des Oberflächen-Ferminiveau-Pinning einer (100)-GaAs-Oberfläche verursachen. Der senkrechte Elektronentransport durch Quantenpunkte dient der Untersuchung von Dot-induzierten, tiefen elektronischen Zuständen und der Erklärung eines eindimensionalen Modells elektronischer Kopplung zwischen denselben. Zusätzlich führen uns die Ergebnisse optischer Messungen zu einem besseren Verständnis des Vorgangs der Dotformierung und der elektronischen Kopplung zwischen zufällig verteilten Quantenpunkten. / The lattice-mismatched epitaxial growth is known to induce a three-dimensional growth mode often referred to as Stranski-Krastanov growth. The resulting structures have typical sizes of 10 nm and possess quantum properties, which are of fundamental physical interest, since artificial atoms and dimensionality effects can be studied. There is a growing interest from an applicational point of view also, since low dimensional structures of a high crystal quality and of a high degree of designerabillity can be created. In this work such structures of a dimensionality d=0,1 and 2 based on compound semiconductors have been designed and prepared by molecular beam epitaxy to perform comparative studies with respect to their electronic, structural and optical properties. Self assembled quantum wires and dots in conductive channels have been examined according to their influence on lateral electrical transport. It is demonstrated how additional surface states from quantum dots cause a distinct shift in the Surface Fermi-level of a GaAs (100) surface. Vertical transport through dots is used to support a model of one-dimensional coupling between deep states induced by the dots. Additionally, optical investigations let us attain a better understanding of the process of dot formation and the electronic coupling between the randomly distributed dots.

Ausgehend von einem thermodynamisch konsistenten Modell von Dreyer und Duderstadt für Tropfenbildung in Galliumarsenid-Kristallen, das Oberflächenspannung und Spannungen im Kristall berücksichtigt, stellen wir zwei mathematische Modelle zur Evolution der Größe flüssiger Tropfen in Kristallen auf. Das erste Modell behandelt das Regime diffusionskontrollierter Interface-Bewegung, während das zweite Modell das Regime Interface-kontrollierter Bewegung des Interface behandelt. Unsere Modellierung berücksichtigt die Erhaltung von Masse und Substanz. Diese Modelle verallgemeinern das wohlbekannte Mullins-Sekerka-Modell für die Ostwald-Reifung. Wir konzentrieren uns auf arsenreiche kugelförmige Tropfen in einem Galliumarsenid-Kristall. Tropfen können mit der Zeit schrumpfen bzw. wachsen, die Tropfenmittelpunkte sind jedoch fixiert. Die Flüssigkeit wird als homogen im Raum angenommen. Aufgrund verschiedener Skalen für typische Distanzen zwischen Tropfen und typischen Radien der flüssigen Tropfen können wir formal so genannte Mean-Field-Modelle herleiten. Für ein Modell im diffusionskontrollierten Regime beweisen wir den Grenzübergang mit Homogenisierungstechniken unter plausiblen Annahmen. Diese Mean-Field-Modelle verallgemeinern das Lifshitz-Slyozov-Wagner-Modell, welches rigoros aus dem Mullins-Sekerka-Modell hergeleitet werden kann, siehe Niethammer et al., und gut verstanden ist. Mean-Field-Modelle beschreiben die wichtigsten Eigenschaften unseres Systems und sind gut für Numerik und für weitere Analysis geeignet. Wir bestimmen mögliche Gleichgewichte und diskutieren deren Stabilität. Numerische Resultate legen nahe, wann welches der beiden Regimes gut zur experimentellen Situation passen könnte. / Based on a thermodynamically consistent model for precipitation in gallium arsenide crystals including surface tension and bulk stresses by Dreyer and Duderstadt, we propose two different mathematical models to describe the size evolution of liquid droplets in a crystalline solid. The first model treats the diffusion-controlled regime of interface motion, while the second model is concerned with the interface-controlled regime of interface motion. Our models take care of conservation of mass and substance. These models generalise the well-known Mullins-Sekerka model for Ostwald ripening. We concentrate on arsenic-rich liquid spherical droplets in a gallium arsenide crystal. Droplets can shrink or grow with time but the centres of droplets remain fixed. The liquid is assumed to be homogeneous in space. Due to different scales for typical distances between droplets and typical radii of liquid droplets we can derive formally so-called mean field models. For a model in the diffusion-controlled regime we prove this limit by homogenisation techniques under plausible assumptions. These mean field models generalise the Lifshitz-Slyozov-Wagner model, which can be derived from the Mullins-Sekerka model rigorously, see Niethammer et al., and is well-understood. Mean field models capture the main properties of our system and are well adapted for numerics and further analysis. We determine possible equilibria and discuss their stability. Numerical evidence suggests in which case which one of the two regimes might be appropriate to the experimental situation.

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.