<p> InGaAs/InP heterostructure nanowires (NWs) grown by gas source molecular beam epitaxy (GS-MBE) have been analyzed by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS). The morphology and interfacial properties of these structures have been compared to pure InP NWs and lattice-matched InGaAs!InP superlattice (SL) structures, respectively. Based on high-resolution x-ray diffraction (HRXRD) and photoluminescence (PL) measurements of the SLs a detailed structural model is proposed, consisting of strained InAsP and InGaAsP mono layers due to group-V gas switching and atomic exchange at the SL interfaces. The interfaces of the heterostructure NW s were an order of magnitude larger than those of the SLs and showed a distinct bulging morphology. Both of these characteristics are explained based on the slow purging of group-III material from the Au catalyst. Growth of lnGaAs on the sidewalls of the InP base of these wires was also observed, and occurs due to the shorter diffusion length of Ga adatoms as compared to In. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Diese Dissertation untersucht das selektive Wachstum von Indiumphosphid (InP)-Nanostrukturen auf Silizium-Nanospitzen-Substraten (Si NT) mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie über den Nanoheteroepitaxie-Ansatz (NHE). Durch Anpassung der thermischen Reinigungstemperaturen vor dem Wachstum wurde der Übergang zwischen 1-dimensionalem Nanodraht- (NW) und 3-dimensionalem Nanoinselwachstum auf demselben Wafer demonstriert. Diese Anpassungsfähigkeit ist entscheidend für die Realisierung maßgeschneiderter nanoskaliger Halbleiterbauelemente. Die strukturellen und optischen Eigenschaften von NWs, die auf Si NT(001)-Substraten gewachsen sind, wurden umfassend analysiert. Diese NWs zeigten Polytopie mit sowohl Wurtzit- als auch Zinkblende-Kristallstrukturen und einer Typ-II-Bandausrichtung und wiesen Lumineszenz bei Raumtemperatur auf. Nanoinsel-Proben, die auf Si(001)- und Si(111)-Nanospitzen-Substraten gewachsen sind, behielten eine Zinkblende-Struktur bei und waren vollständig entspannt, was mit den jeweiligen Substraten übereinstimmte. Diese Nanoinseln wiesen jedoch keine Lumineszenz bei Raumtemperatur auf, was auf einen Verbesserungsbedarf des Materials hinweist. Die Wachstumsoptimierung für Nanoinseln auf Si NT(001)-Substraten ergab einen idealen Temperaturbereich von 490°C bis 530°C mit einem konstanten Phosphin-Fluss von 4 sccm und einer Wachstumsrate von 0,7 Å/s, was zu reproduzierbaren und hochwertigen Ergebnissen führte. Ein Testbauelement, das mit n-p dotierten InP-Nanoinseln gefertigt wurde, wurde hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften bewertet, um seine Integration in funktionale Halbleiterbauelemente zu untersuchen. Insgesamt erweitert diese Arbeit das Verständnis des InP-Nanostruktursyntheseprozesses auf Si NT-Substraten mittels NHE und hebt ihr Potenzial für zukünftige Halbleitertechnologien, insbesondere für CMOS-kompatible Anwendungen, hervor. / This thesis investigates the selective growth of Indium Phosphide (InP) nanostructures on Silicon nanotip (Si NT) substrates using gas-source molecular beam epitaxy via the nanoheteroepitaxy (NHE) approach. By adjusting thermal cleaning temperatures prior to growth, the transition between 1-dimensional nanowire (NW) and 3-dimensional nanoisland growth on the same wafer was demonstrated. This adaptability is essential for realizing customized nanoscale semiconductor devices. The structural and optical properties of NWs grown on Si NT(001) substrates were thoroughly analyzed. These NWs exhibited polytypism, featuring both wurtzite and zincblende crystal structures with a type-II band alignment, and showed luminescence at room temperature. Nanoisland samples grown on Si(001) and Si(111) nanotip substrates retained a zincblende structure and were fully relaxed, aligning with their respective substrates. However, these nanoislands did not exhibit room-temperature luminescence, indicating a need for further material improvement. Growth optimization for nanoislands on Si NT(001) substrates identified an ideal temperature range of 490°C to 530°C with a constant phosphine flux of 4 sccm and a growth rate of 0.7 Å/s, ensuring reproducible, high-quality results. A test device fabricated using n-p doped InP nanoislands was assessed for electrical properties to explore their integration into functional semiconductor devices. Overall, this work advances the understanding of InP nanostructure synthesis on Si NT substrates via NHE and highlights their potential for future semiconductor technologies, particularly for CMOS-compatible applications.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden selbstorganisierte, verspannte InP-Quantenpunkte mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Die Quantenpunkte wurden sowohl in InGaP-Matrix gitterangepasst auf GaAs-Substrat als auch in GaP-Matrix auf GaP-Substrat realisiert. Die starke Gitterfehlanpassung von 3,8% im InP/InGaP- bzw. 7,7% im InP/GaP-Materialsystem ermöglicht Inselbildung mittels des Stranski-Krastanow-Wachstumsmodus: Ab einer kritischen InP-Schichtdicke findet kein zweidimensionales, sondern ein dreidimensionales Wachstum statt. Die kritische Schichtdicke wurde mit etwa 3 Monolagen für das InP/InGaP- und mit etwa 1,8 Monolagen für das InP/GaP-System bestimmt. Die strukturellen Untersuchungen zeigen, dass InP Quantenpunkte in GaP im Vergleich zu solchen in InGaP größer sind und stärker zum Abbau von Verspannung tendieren. Die in InGaP-Matrix eingebettete InP-Quantenpunkte zeigen sehr ausgeprägte optische Emissionen, die, in Abhängigkeit von den Wachstumsparametern, im Bereich von 1,6 bis 1,75eV liegen. Die Emissionslinie wird der strahlenden Rekombination von in den Quantenpunkten lokalisierten Elektronen und Löchern zugeordnet. Dies wird auch durch das Bänderschema bestätigt, das mit Hilfe der Model-Solid-Theorie modelliert wurde. Darüber hinaus weist die Lebensdauer der Ladungsträger von einigen hundert Pikosekunden darauf hin, dass die InP/InGaP Quantenpunkte vom Typ I sind. Zusätzlich zu den optischen Eigenschaften wurde die Anordnung von dicht gepackten InP-Quantenpunkten in und auf InGaP mittels zweidimensionaler Fourier-Transformation der Daten aus der Atomkraftmikroskopie, Transmissionelektronmikroskopie und diverser Röntgen-Streuexperimente untersucht sowie die planaren und vertikale Ordnungseffekte der Quantenpunkte studiert. Die Untersuchungen zeigen, dass die Ordnung der Quantenpunkte sowohl hinsichtlich ihrer Packungsdichte als auch ihrer Orientierung mit wachsender InP-Bedeckung zunimmt. Darüber hinaus wurde die Verspannungsverteilung in den InP/InGaP-Quantenpunkten mit Hilfe von diffuser Röntgen-Streuung in Verbindung mit kinematischen Simulationen studiert und eine asymmetrische Form der Quantenpunkte festgestellt, die auch Ursache für die gemessene Polarisationsanisotropie der Photolumineszenz sein kann. Die in GaP-Matrix eingebetteten InP-Quantenpunkte wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals erfolgreich auf ihre aktiven optischen Eigenschaften hin untersucht. Sie zeigen eine optische Emission zwischen 1,9 und 2 eV im sichtbaren Bereich. Diese strahlende Rekombination wird ebenfalls dem direkten Übergang zwischen Elektronen- und Löcherzuständen zugeordnet, die in den InP Quantenpunkten lokalisiert sind. Auch Photolumineszenzmessungen unter mechanischem Druck weisen darauf hin, dass es sich in diesem System hauptsächlich um einen direkten räumlichen Übergang handelt. Dieses Ergebnis wird dadurch untermauert, dass die Lebensdauer der Ladungsträger im Bereich von etwa 2 ns liegt, was nicht untypisch für Typ-I-Systeme ist. Die Ergebnisse für zweidimensionale, in GaP eingebettete InP-Schichten zeigen im Gegensatz zu den Quantenpunkten, dass die strahlende Rekombination in InP/GaP Quantentöpfen aufgrund eines indirekten Übergangs (sowohl in Orts- als auch in Impulsraum) zwischen Elektronen- und Löcherzuständen erfolgt. Die optischen Emissionslinien liegen für Quantentöpfe im Bereich von 2,15 bis 2,30eV. Die nachgewiesene sehr lange Lebensdauer der Ladungsträger von etwa 20ns weist weiter darauf hin, dass die Quantentöpfe ein Typ-II-System sind. Nach Modellierung des Bänderschemas für das verspannte InP/GaP-System und Berechnung der Energieniveaus von Löchern und Elektronen darin mit Hilfe der Effektive-Masse-Näherung in Abhängigkeit von der InP-Schichtdicke zeigt sich ferner, dass für InP-Quantentöpfe mit einer Breite kleiner als 3nm die Quantisierungsenergie der Elektronen so groß ist, dass der X-Punkt in GaP energetisch tiefer liegt als der Gamma-Punkt in InP. Dieser Potentialverlauf führt dazu , dass die Elektronen im X-Minimum des GaP lokalisieren, während die Löcher in der InP-Schicht bleiben. Optische Untersuchungen nach thermischer Behandlung der Quantenpunkte führen sowohl im InP/InGaP- als auch im InP/GaP-System zur Verstärkung der Lumineszenz, die bis zu 15 mal internsiver als bei unbehandelten Proben sein kann. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass InP-Quantenpunkte durch ihre optischen Eigenschaften sehr interessant für optoelektronische Anwendungen sind. Die Verwendung von durchsichtigem GaP (mit einer größeren Bandlücke und kleineren Gitterkonstante im Vergleich zu GaAs und InGaP) als Matrix und Substrat hat nicht nur den Vorteil, dass die InP-Quantenpunkte hierbei im sichtbaren Bereich Licht emittieren, sondern man kann in der Praxis auch von einer hochentwickelten GaP-basierten LED-Technologie profitieren. Hauptergebnis dieser Arbeit ist, dass die in indirektes GaP eingebetteten InP-Quantenpunkte aktive optische Eigenschaften zeigen. Sie können daher als aktive Medien zur Realisierung neuartiger effizienter Laser und Leuchtdioden verwendet werden. / The growth and structural properties of self-assembled InP quantum dots are presented and discussed, together with their optical properties and associated carrier dynamics. The QDs are grown using gas-source molecular-beam epitaxy in and on the two materials InGaP (lattice matched to GaAs) and GaP. Under the proper growth conditions, formation of InP dots via the Stranski-Krastanow mechanism is observed. The critical InP coverage for 2D-3D transition is found to be 3ML for the InP/ InGaP system and 1.8ML for the InP/GaP system. The structural characterization indicates that the InP/GaP QDs are larger and, consequently, less dense compared to the InP/ InGaP QDs; hence, InP dots on GaP tend to be strain-relaxed. The InP/ InGaP QDs tend to form ordered arrays when InP coverage is increased. Intense photoluminescence from InP quantum dots in both material systems is observed. The PL from InP/GaP QDs peaks between 1.9 and 2 eV and is by about 200 meV higher in energy than the PL line from InP/ InGaP QDs. The optical emission from dots is attributed to direct transitions between the electrons and heavy-holes confined in the InP dots, whereas the photoluminescence from a two-dimensional InP layer embedded in GaP is explained as resulting from the spatially indirect recombination of electrons from the GaP X valleys with holes in InP and their phonon replicas. The type-II band alignment of InP/GaP two-dimensional structures is further confirmed by the carrier lifetime above 19 ns, which is much higher than in type-I systems. The observed carrier lifetimes of 100-500 ps for InP/ InGaPQDs and 2 ns for InP/GaP QDs support our band alignment modeling. Pressure-dependent photoluminescence measurements provide further evidence for a type-I band alignment for InP/GaP QDs at normal pressure, but indicate that they become type-II under hydrostatic pressures of about 1.2 GPa and are consistent with an energy difference between the lowest InP and GaP states of about 31 meV. Exploiting the visible direct-bandgap transition in the GaP system could lead to an increased efficiency of light emission in GaP-based light emitters.