Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Universiẗat, Diss., 2002--Dortmund.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung (Ekin < 25 eV) auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum. Dabei wird insbesondere der Einfluss einer Oberflächenrekonstruktion, einer Strukturierung der Oberfläche, einer Zwischenschicht (Pufferschicht) und der Einfluss verschiedener Siliziumsubstratorientierungen auf das epitaktische Wachstum von dünnen Galliumnitrid-Schichten nach einer hyperthermischen Stickstoffionenbestrahlung diskutiert. Ziel war es, möglichst dünne, epitaktische und defektarme Galliumnitrid-Schichten zu erhalten. Für die Charakterisierung der Galliumnitrid-Schichten und der Siliziumsubstrate standen diverse Analysemethoden zur Verfügung. Die kristalline Oberflächenstruktur konnte während des Wachstums mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen beobachtet werden. Nachfolgend wurde die Oberflächentopografie, die kristalline Struktur und Textur, sowie die optischen Eigenschaften der Galliumnitrid-Schichten mittels Rasterkraftmikroskopie, Röntgenstrahl-Diffraktometrie, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie und Photolumineszenzspektroskopie untersucht.

Die Arbeit befaßt sich mit der Charakterisierung der elektronischen Struktur von neuen Halbleitermaterialien. Zu den untersuchten Materialsystemen, welche alle eine relativ kleine Gitterkonstante aufweisen, gehören der Diamant, Siliciumcarbid, amorphes Kohlenstoffnitrid (a-CNx) sowie verschiedene Proben der Serie AlxGa1-xN. Zur Charakterisierung der elektronischen Struktur werden Photoemissionsmessungen für die Bestimmung der besetzten Zustände und Methoden der Röntgenabsorption im Fall der unbesetzten Zustände herangezogen. Mit diesen Methoden wird die Struktur der Oberflächen von CVD-Diamantfilmen für unterschiedliche Oberflächenempfindlichkeiten bestimmt. Außerdem wird die Modifikation der elektronischen Bänder in Naturdiamant durch variierende Cäsiumbedeckungen der Oberfläche ermittelt. Für zwei Rekonstruktionen der 3C-SiC(001)-Oberfläche wird die Oberflächenbandstruktur bestimmt und es werden die Ergebnisse mit existierenden Strukturmodellen und Rechnungen verglichen. Zum Vergleich werden auf dieser Oberfläche weiterhin auch Messungen zur optischen Oberflächenanisotropie durchgeführt und Hinweise auf Beiträge von Oberflächenzuständen zu den Spektren gefunden. In den amorphen Kohlenstoffnitridfilmen können verschiedene Stickstoff- und Kohlenstoffkoordinationen nachgewiesen und deren Temperaturstabilität bestimmt werden. Aus den polarisationsabhängigen Röntgenabsorptionsmessungen an nitridiertem Galliumarsenid bzw. an den Proben der Serie AlxGa1-xN werden Rückschlüsse auf die Phasenzusammensetzung und die geometrische Struktur gezogen.

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

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der Spinrelaxation in epitaktischen GaN-Schichten mit unterschiedlichen Donatorkonzentrationen und Versetzungsdichten mit Hilfe spin- und zeitaufgelöster differentieller Reflektanzspektroskopie präsentiert. Dabei wurden die optischen Anregungsbedingungen sehr sorgfältig gewählt. Neben der genauen Abstimmung der Anregungsenergie, unterstützt durch die Modellierung der differentiellen Reflektanz, wurden insbesondere spektral schmale Laserpulse verwendet. Diese erlauben eine selektive Anregung der untersuchten Übergänge. Es wurden Spinlebensdauern von 30 bis 170~ps bei tiefen Temperaturen für das freie A-Exziton bestimmt. In der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs ließ sich eine langsamere Spinrelaxation als für schwächer dotierte Proben nachweisen. Die längsten beobachteten Spinrelaxationszeiten zeigen freistehende GaN-Schichten hoher Materialqualität mit sehr geringen Versetzungsdichten. In der Literatur besteht eine kategorische Unterteilung der Ergebnisse in lange elektronische Spinlebensdauern bis in den Nanosekundenbereich, erhalten mit Kerr-Messungen, und extrem kurze exzitonische Spinrelaxation in Reflektanz-Experimenten im (Sub-)Pikosenkundenbereich. Dieses Bild wird hier nicht bestätigt. Die beobachteten Spinrelaxationszeiten liegen eineinhalb bis zweieinhalb Größenordnungen über Ergebnissen, von denen bisher mit der hier verwendeten Methode berichtet wurde. Es wird gezeigt, dass die Beobachtungen extrem kurzer Spinrelaxationszeiten an anderer Stelle eine Folge der optischen Anregungsbedingungen sind. Die Verwendung sehr kurzer und damit spektral breiter Laserpulse, die eine selektive Exziton-Anregung verbieten, führt zu einem deutlich anderen zeitlichen Verhalten und stark verfälschten Ergebnissen. Diese Beobachtung löst den scheinbaren Widerspruch zwischen den beiden Ergebnisgruppen in der Literatur auf und bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. / In this work, an investigation of spin relaxation in GaN epitaxial layers with different doping concentrations and dislocation densities is presented. The measurements were carried out by the means of spin- and time-resolved differential reflectance spectroscopy. The conditions of optical excitation were chosen with special care. In particular, spectrally narrow laser pulses were used to achieve selective excitation of the examined transitions in addition to the precise adjustment of the excitation energy, supported by the modeling of the differential reflectance. The spin relaxation times obtained for the free A exciton at low temperatures are in the range of 30 to 170 ps. In the proximity of the metal insulator transition, a slower spin relaxation was observed than for lower doping concentrations. The longest spin relaxation times were found in high quality, free-standing GaN layers with very low dislocation densities. Existing results in the literature can be strictly grouped into long electronic spin lifetimes of up to a few nanoseconds, obtained with Kerr rotation, and extremely short spin relaxation in the (sub)picosecond range, measured with reflectance experiments. This picture cannot be confirmed here. The spin relaxation times observed here lie 1.5 to 2.5 orders of magnitude above the values previously reported using the same experimental method. It is shown that the instances of extremely fast spin relaxation are caused by the properties of the optical excitation. The use of ultra-short and thus spectrally broad laser pulses, which prohibits the selective excitation of excitons, leads to a significantly different temporal behavior and strongly distorted results. This finding elucidates the apparent conflict between the two groups of results and forms the basis for further investigations.

Diese Arbeit beschreibt die optische Charakterisierung mittels Photolumineszenzspektroskopie (PL) von Halbleiter-Nanodrähten (ND) im allgemeinen und einzelnen GaN-ND und GaN-ND-Ensembles im speziellen. ND werden oftmals als vielversprechende Bausteine zukünftiger, kleinster Bauele- mente bezeichnet. Diese Vision beruht insbesondere auf einigen attraktiven Eigenheiten, die ND im allgemeinen zugeschrieben werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden exemplarisch einige dieser Eigenschaften näher untersucht. So wird anhand von temperaturabhängigen PL-Messungen an Au- und selbstinduzierten GaAs/(Al,Ga)As-ND der Einfluss des Keimmaterials auf die PL der ND untersucht. Weiterhin werden die optischen Eigenschaften von ZnO-ND untersucht, die auf Si-, Saphir- und ZnO-Substraten gewachsen wurden. Die optische Charakterisierung von GaN-ND nimmt den Hauptteil dieser Arbeit ein. Die detaillierte Untersuchung einzelner GaN-ND und von GaN-ND-Ensembles zeigt die Relevanz des großen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses und dass jeder ND ganz eigene optische Eigenschaften aufweist. Die unerwartet starke Verbreiterung des strahlenden Übergangs donatorgebundener Exzitonen wird durch das vermehrte Auftreten von Oberflächendonatoren erklärt, deren statistische Relevanz durch PL-Messungen an einzelnen ausgestreuten und freistehenden GaN-ND nachgewiesen werden kann. Weiterhin wird der Einfluss elektrischer Felder auf die optischen Eigenschaften von GaN-ND ermittelt. Die Ein- und Auskopplung von Licht mit GaN ND wird mithilfe von Reflektanz- und Ramanmessungen bestimmt. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit motivieren die Einführung eines Modells, dass die typischerweise nichtexponentielle Rekombinationsdynamik in ND-Ensemblen erklärt. Es basiert auf einer Verteilung der Rekombinationsraten. Vorläufige Ergebnisse dieses Modells beschreiben das nichtexponentielle Rekombinationdynamik in GaN ND-Ensemblen zufriedenstellend und erlauben eine Abschätzung ihrer internen Quanteneffizienz. / This thesis presents a detailed investigation of the optical properties of semiconductor nanowires (NWs) in general and single GaN NWs and GaN NW ensembles in particular by photoluminescence (PL) spectroscopy. NWs are often considered as potential building blocks for future nanometer-scaled devices. This vision is based on several attractive features that are generally ascribed to NWs. In the first part of the thesis, some of these features are examined using semiconductor NWs of different materials. On the basis of the temperature-dependent PL of Au- and self-assisted GaAs/(Al,Ga)As core-shell NWs, the influence of foreign catalyst particles on the optical properties of NWs is investigated. The effect of the substrate choice is studied by comparing the PL of ZnO NWs grown on Si, Sapphire, and ZnO substrates. The major part of this thesis discusses the optical properties of GaN NWs. The investigation of the PL of single GaN NWs and GaN NW ensembles reveals the significance of their large surface-to-volume ratio and that each NW exhibits its own individual recombination behavior. An unexpected broadening of the donor-bound exciton transition is explained by the abundant presence of surface donors in NWs. The existence and statistical relevance of these surface donors is confirmed by PL experiments of single GaN NWs which are either dispersed or free-standing. Furthermore, the influence of electric fields on the optical properties of GaN NWs is investigated and the coupling of light with GaN NWs is studied by reflectance and Raman measurements. The central results of this thesis motivate the introduction of a model that explains the typically observed nonexponential recombination dynamics in NW ensembles. It is based on a distribution of recombination rates. Preliminary simulations using this model describe the nonexponential decay of GaN NW ensembles satisfactorily and allow for an estimation of their internal quantum efficiency.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der ramanspektroskopischen Charakterisierung von Galliumnitrid (GaN). Der Zusammenhang zwischen Waferkrümmung und mechanischer Restspannungen wird diskutiert. Mit Hilfe konfokaler Mikro-Ramanmessungen wurden Dotierprofile nachgewiesen sowie die Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit ermittelt. Sämtliche Ramantensorelemente von wz-GaN wurden erstmals durch die Anwendung verschiedener Streugeometrien bestimmt. Eine neu entwickelte Vorwärtsstreuanordnung ermöglichte die Beobachtung von Phonon-Polaritonen. Es konnte gezeigt werden, dass von der theoretischen und experimentellen Betrachtung der Ramanstreuintensitäten dieser Elementaranregungen eindeutig das Vorzeichen der Faust-Henry-Koeffizienten von wz-GaN abgeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Faust-Henry-Koeffizienten für GaN experimentell bestimmt. / This thesis focuses on special aspects of the Raman spectroscopical characterization of wurtzite gallium nitride (wz-GaN). The correlation between wafer curvature and residual stress is discussed. By means of confocal micro-Raman measurements doping profiles were detected as well as the density and mobility of free charge carriers were deduced. All Raman scattering cross sections of wz-GaN were determined the first time using different scattering configurations. A novel method for near-forward scattering was developed in order to observe phonon polaritons with pure symmetry. It is shown that the theoretical and experimental consideration of the Raman scattering efficiency of these elementary excitations allow for determining the sign of the Faust-Henry coefficients of wz-GaN unambiguously. The Faust-Henry coefficients of GaN were deduced from Raman scattering efficiencies of corresponding TO and LO phonons.

Bauelemente auf Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen bieten vielversprechende Eigenschaften für Hochfrequenz- und leistungselektronische Anwendungen. Dazu zählen die hohe Elektronenmobilität im zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) und eine hervorragende Durchbruchsfeldstärke. Die effiziente ohmsche Kontaktierung der Source- und Drain-Gebiete von Hetero-Feldeffekttransistoren mit Gate-Dielektrikum (MISHFETs) stellt jedoch eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden unterschiedliche Kontaktstapel auf Basis von Ti/Al/Ni/Au und V/Al/Ni/Au hinsichtlich ihrer Eignung als ohmsche Kontaktierung verglichen. Mit Hilfe von elektrischen und mikrostrukturellen Methoden werden die Vorgänge bei der Ausbildung des elektrischen Kontakts untersucht. Während der etablierte Ti-haltige Kontaktstapel einen Hochtemperaturschritt bei mindestens 800°C benötig, um einen hinreichend guten Kontaktwiderstand zu erzielen, lässt sich mit der V-basierten Metallisierung eine Reduzierung der notwendigen Temperatur um bis zu 150 K erreichen. Die so optimierten Kontakte werden als Source- und Drain-Metallisierung für MISHFETs genutzt. Es wird gezeigt, dass die Reduzierung der Formierungstemperatur bei V-haltigen Kontakten einen positiven Effekt auf die Eigenschaften der Bauelemente hat. So wird die Schädigung des 2DEGs minimiert und es können Transistoren mit geringerem Leckstrom und höherem An/Aus-Verhältnis des Drain-Stroms hergestellt werden.