The aggressive scaling of silicon (Si) based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistor over the past 50 years has resulted in an exponential increase in device density, which consequentially has increased computation power rapidly. This has pronounced the necessity to scale the device's supply voltage (VDD) in to order to maintain low-power device operation. However, the scaling of VDD can degrade drive current significantly due to the low carrier mobility of Si. To overcome the key challenges of dimensional and voltage scaling required for low-power electronic operation without degradation of device characteristics, the adoption of alternate channel materials with low bandgap with superior transport properties will play a crucial role to improve the computation ability of the standard integrated circuit (IC). The requirement of high-mobility channel materials allows the industry to harness the potential of III-V semiconductors and germanium. However, the adoption of such high mobility materials as bulk substrates remains cost-prohibitive even today. Hence, another key challenge lies in the heterogeneous integration of epitaxial high-mobility channel materials on the established cost-effective Si platform. Furthermore, dimensional scaling of the device has led to a change in architecture from the conventional planar MOSFET to be modified to a 3-D Tri-gate architecture which provides fully depleted characteristics by increasing the inversion layer area and hence, providing superior electrostatic control of the device channel to address short channel effects such as subthreshold slope (SS) and drain induced barrier lowering (DIBL). The Tri-gate configuration provides a steeper SS effectively reducing leakage current (IOFF), thereby decreasing dynamic power consumption and increasing device performance. Recently, Tantalum silicate (TaSiOx) a high-k dielectric has been shown to exhibit superior interfacial quality on multiple III-V materials. However, there is still ambiguity as to the potential of short-channel devices incorporating alternate channel (III-V) materials which is the basis of this research, to demonstrate the feasibility of future high-mobility n-channel InGaAs material integration on Si for high- speed, low-power, high performance CMOS logic applications. / Master of Science

Designs for PnP GaAs/InxGa1-xAs/GaAs heterojunction bipolar transistors (HBTs) are proposed and simulated with the aid of commercial software. Band diagrams, Gummel plots and common emitter characteristics are shown for the specific case of x=1, x=0.7, and x linearly graded from 0.75 to 0.7. Of the three designs, it is found that the linearly graded case has the lowest leakage current and the highest current gain. IV curves for all four possible classes of InAs/GaAs heterojunction (nN, nP, pN, pP) are calculated. A pN heterojunction is fabricated and characterized. In spite of the 7% lattice mismatch between InAs and GaAs, the diode has an ideality factor of 1.26 over three decades in the forward direction. In the reverse direction, the leakage current grows exponentially with the magnitude of the bias, and shows an effective ideality factor of 3.17, in stark disagreement with simulation. IV curves are taken over a temperature range of 105 K to 405 and activation energies are extracted. For benchmarking the device processing and the characterization apparatus, a conventional GaAs homojunction diode was fabricated and characterized, showing current rectification ratio of 109 between plus one volt and minus one volt. Because the PnP material for the optimal HBT design was not available, an Npn GaAs/InAs/InAs HBT structure was processed, characterized, and analyzed. The Npn device fails in both theory and in practice; however, by making a real structure, valuable lessons were learned for crystal growth, mask design, processing, and metal contacts. / Master of Science

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.

Im Gebiet der Spin-Elektronik wird der Spin des Elektrons zusätzlich zu seiner Ladung für Bauelementkonzepte ausgenutzt. Hierbei ist die effiziente elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in einem halbleitenden Material von großer Bedeutung. Die Erzeugung der Spinakkumulation kann mithilfe eines ferromagnetischen Metall-Kontaktes erfolgen. Wird eine elektrische Spannung an die Grenzfläche zwischen dem ferromagnetischen Metall und dem Halbleiter so angelegt, dass spinpolarisierte Elektronen vom Metall in den Halbleiter fließen, spricht man von elektrischer Spininjektion. Bei einer Umkehrung der Spannung werden bevorzugt Elektronen der entgegengesetzten Spinorientierung aus dem halbleitenden Material entfernt. Dieser Prozess wird als Spinextraktion bezeichnet. In dieser Arbeit wird die elektrische Erzeugung einer Spinakkumulation in lateral strukturierten, epitaktischen Hybridstrukturen bestehend aus ferromagnetischen Metallkontakten auf n-dotiertem GaAs untersucht. Allgemein ist neben der Spinpolarisation im Ferromagneten auch die spinunabhängige elektrische Charakteristik eines Kontaktes von zentraler Bedeutung für die effiziente Spinerzeugung. Hier wird gezeigt, dass die gewöhnlichen Strom-Spannungs-Kennlinien die Spininjektionseigenschaften dominieren können. Außerdem wird ein neuartiges Bauelementkonzept vorgestellt und experimentell untersucht. Hierbei handelt es sich um ein lokales Spin-Ventil, welches Spinextraktion statt Spininjektion als Spinerzeugungsprozess verwendet. Im Gegensatz zum gewöhnlichen lokalen Spin-Ventil kann ein solches Extraktions-Spin-Ventil als Baustein eines erweiterten Bauelements angesehen werden, welches auf mehreren, aufeinanderfolgenden Extraktionsprozessen beruht. Die Eigenschaften des Extraktions-Spin-Ventils werden diskutiert und es wird gezeigt, wie seine Funktionalität beispielsweise für das Auslesen der Daten in magnetischen Speichern angewendet werden kann. / The efficient electrical generation of a spin accumulation inside a semiconductor (SC) utilizing the interface with a ferromagnetic metal (FM) is essential for the realization of many spintronic device concepts, in which the spin of the electron is exploited in addition to its charge for computational and memory purposes. At FM/n-type SC hybrid contacts, the application of a reverse bias leads to the injection of spin-polarized electrons into the SC. Alternatively, an applied forward bias can be used to generate a spin accumulation of opposite sign due to the extraction of electrons with a particular spin orientation. In this work, the electrical generation and detection of a spin accumulation is studied using epitaxial and laterally structured ferromagnetic metal/n-type GaAs hybrid systems in various measurement geometries. To achieve a high spin generation efficiency, the spinindependent electrical properties of the contact have to be considered in addition to the choice of the injector material with respect to its degree of spin polarization. Here, it is shown that the current-voltage characteristics can even constitute the dominating design parameter with respect to the spin injection properties. In addition, a novel device concept is presented and studied experimentally. This approach essentially relies on spin extraction as the spin generation process in a local spin valve geometry. In contrast to local spin valves based on spin injection, the presented extraction spin valve can be regarded as a building block of an extended device comprising multiple extraction events along the lateral spin transport channel. It is shown how such multiple extraction spin valves allow for an intriguing functionality, which can be used, for example, for the read-out of data in magnetic memory applications.

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.

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.

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.

Cette thèse est consacrée à l’étude de la dynamique des porteurs de charges sous forte concentration. La méthode Monte Carlo « Full-Band » a été utilisée pour la modélisation du transport et la relaxtion des porteurs de charge dans les semi-conducteurs III-V (GaAs, InAs, GaSb, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50). Les structures électroniques ont été calculées par la Méthode des Pseudo-potentiels Non-Locaux Empiriques, ce qui a notamment permis de traiter le cas de l’alliage ternaire GaAs0.50Sb0.50 dans une approche de type Cristal Virtuel, matériau qui souffre d’un manque de caractérisations expérimentales. Dans ces semi-conducteurs polaires fortement dopés, le couplage entre phonons optiques polaires et plasmons a été pris en compte via le calcul de la fonction diélectrique totale incluant les termes associés à l’amortissement dans le système phonon-plasmon auto-cohérents. Ce phénomène de couplage phonon-plasmon, est apparu primordial pour l’analyse de la mobilité des électrons dans GaAs, In0.53Ga0.47As et GaAs0.50Sb0.50 en fonction de la concentration en accepteurs. Dans des semi-conducteurs fortement photo-excités, la relaxation des électrons et des trous a été étudiée en tenant compte du chauffage de la population de phonon (qui ralentit la relaxation des porteurs) avec un modèle Monte Carlo dédié à la dynamique des phonons (Thèse de H. Hamzeh). L’étude a montré que le ralentissement de la relaxation dépend fortement des concentrations de porteurs photo-excités à cause du couplage phonon-plasmon dans ces matériaux. Les processus de génération et recombinaison de porteurs tels que l’absorption optique, la recombinaison radiative, l’ionisation par choc et les recombinaisons Auger, ont été implémentés. Les taux de génération et recombinaison associés sont calculés directement sur les distributions de porteurs modélisées, sans supposer des distributions à l’équilibre. Ces processus sont cruciaux pour l’optimisation de Cellules Solaires à Porteurs Chauds. Le photo-courant de ce type de cellule théorique à haut rendement de 3ème génération avec un absorbeur en In0.53Ga0.47As a été étudié. / The aim of this work is the study of charge carriers dynamic under high carrier concentration regimes. The « Full-Band » Monte Carlo method is used for charge carrier transport/relaxation modeling in III-V semiconductors (GaAs, InAs, GaSb, In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50). Electronic band structures are calculated with the Non-Local Empirical Pseudopotential Method which enables the study of ternary alloys within a Virtual Crystal approach. This method has been applied to In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50, the latter being a promising material for Heterojunction Bipolar Transistor applications though it lacks experimental characterizations. In highly doped polar semiconductors, the polar optical phonon – plasmon coupling is accounted for via the calculation of the total dielectric function including self-consistent damping parameters. This coupling appeared crucial for the calculation of minority electron mobilities in highly p-doped GaAs, In0.53Ga0.47As and GaAs0.50Sb0.50. In strongly photo-excited semiconductors, phonon population heating has been included in the study of electrons and holes relaxation. Hot phonon populations, that slow the charge carrier relaxation through the phonon bottleneck effect, have been dealt with a phonon dedicated Monte Carlo model (PhD H. Hamzeh). The study showed that carrier relaxation slowing depends strongly on the photo-excited carrier concentration because of phonon-plasmon coupling in those semiconductors. Charge carrier generation and recombination processes such as photon absorption, radiative recombination, impact ionization and Auger recombinations, have been implemented. The associated generation and recombination rates are directly calculated with the sampled carrier distribution. Thus, the use of coefficients and lifetimes is avoided, and non equilibrium regimes were modeled. Those processes are of prime importance for Hot Carrier Solar Cells optimization. The theoretical photo-current of this kind of 3rd generation solar cell with an In0.53Ga0.47As absorber have been studied.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d’une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l’intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d’onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d’obtenir un laser mono-longueur d’onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d’onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d’un laser accordable hybride III-V sur silicium. / Silicon photonics knew an impressive development in the last ten years. Almost all the fundamental building blocks have been demonstrated and reveal competitive performances. However, the lack of an efficient silicon integrated laser source has led the researchers to develop heterogeneous integration of III-V materials on silicon.In this thesis I describe the design, the fabrication and the performances of these hybrid III-V on silicon lasers. I propose the use of an adiabatic coupler that totally transfers the optical mode between the III-V and the silicon waveguides. The active waveguide on III-V materials at the center of the device provides the optical gain, while, on both side, adiabatic couplers allow a loss-less transfer of the optical mode to the silicon waveguide. Single wavelength emitting lasers are fundamental elements for high bandwidth optical links. I review all the effective solutions enabling single waveguide hybrid III-V on SOI lasers. DBR, microring based, DFB and AWG laser solutions were analysed. Single wavelength operating lasers have been fabricated and characterized. A laser threshold of only 21 mA, an output power of more than 10 mW and tunability over 45 nm with a SMSR of 45 dB have been measured. These devices represent the first demonstration of a monolithically integrated hybrid III-V/Si tunable laser made by wafer bonding technique.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de nanofils InP et d’hétérostructures nanofils InAs/InP épitaxiés sur substrat silicium. Ce travail de thèse a été réalisé principalement dans le cadre du projet ANR «INSCOOP». / This thesis is focused upon the experimental investigation of optical properties of InAs/InP NW heterostructures by means of photoluminescence (PL) spectroscopy. First, it was demonstrated that the host-substrate may have significant impacts on the optical properties of pure InP NWs, as due to the strain, created by the difference in the LTECs of the NWs and the host-substrate, as due to some other surface effects. Next, the optical properties of such nanowire heterostructures as quantum rod (QRod) and radial quantum well (QWell) NWs were investigated. The features of obtained spectra were explained using theoretical simulation of similar NW heterostructures. The polarization properties of single InP NWs, InAs/InP QWell-NWs, InAs/InP QRod-NWs and ensemble of the InAs well ordered NWs were studied at different temperatures. Further, we report on the evidences of the strain-induced piezoelectric field in WZ InAs/InP QRod-NWs. Finally, PL QE of NW heterostructures and their planar analogues are measured by means of a PL setup coupled to an integrating sphere. In general, the obtained knowledge of the optical and mechanical properties of pure InP NWs and InAs/InP NW heterostructures will improve understanding of the electrical and mechanical processes taking place in semiconductor NW heterostructures and will serve for the fabrication of future nanodevice applications.