The objective of the proposed research is to establish the technology for material growth by molecular beam epitaxy (MBE) and fabrication of indium gallium nitride/gallium nitride (InxGa1-xN/GaN) heterojunction solar cells. InxGa1-xN solar cell have the potential to span 90% of the solar spectrum, however there has been no success with high indium (In) incorporation and only limited success with low In incorporation InxGa1-xN. Therefore, this present work focuses on 15 - 30% In incorporation leading to a bandgap value of 2.3 - 2.8 eV. This work will exploit the revision of the indium nitride (InN) bandgap value of 0.68 eV, which expands the range of the optical emission of nitride-based devices from ultraviolet to near infrared regions, by developing transparent InxGa1-xN solar cells outside the visible spectrum. Photovoltaic devices with a bandgap greater than 2.0 eV are attractive because over half the available power in the solar spectrum is above the photon energy of 2.0 eV. The ability of InxGa1-xN materials to optimally span the solar spectrum offers a tantalizing solution for high-efficiency photovoltaics. Using the metal modulated epitaxy (MME) technique in a new, ultra-clean refurbished MBE system, an innovative growth regime is established where In and Ga phase separation is diminished by increasing the growth rate for InxGa1-xN. The MME technique modulates the metal shutters with a fixed duty cycle while maintaining a constant nitrogen flux and proves effective for improving crystal quality and p-type doping. We demonstrate the ability to repeatedly grow high hole concentration Mg-doped GaN films using the MME technique. The highest hole concentration obtained is equal to 4.26 e19 cm-3, resistivity of 0.5 Ω-cm, and mobility of 0.28 cm2/V-s. We have achieved hole concentrations significantly higher than recorded in the literature, proving that our growth parameters and the MME technique is feasible, repeatable, and beneficial. The high hole concentration p-GaN is used as the emitter in our InxGa1-xN solar cell devices.

Dans le contexte de la protection périphérique des composants de puissance en GaN, nous avons exploré une voie originale pour réaliser l'homo-épitaxie localisée de GaN de type p, reposant sur une approche Vapeur-Liquide-Solide (VLS). Le cycle de croissance comprend 3 étapes successives. Dans un premier temps, du Ga est déposé par MOCVD, formant un réseau de gouttelettes de diamètres submicrométriques. Puis, du Mg est incorporé aux gouttelettes à partir de la phase gazeuse, en utilisant le précurseur (MeCP)2Mg. Enfin, les gouttelettes de Ga-Mg sont nitrurées à 500-700°C sous un flux de NH3 dilué dans un gaz porteur. À l'issue d'un cycle complet de croissance, on obtient systématiquement un réseau de plots et/ou d'anneaux de GaN, bien séparés. L'augmentation de la teneur en Mg dans les gouttes favorise un mécanisme de croissance purement VLS, à l'interface Liq/Sol (formation de plots), plutôt qu'une croissance le long de la ligne triple (formation d'anneaux). Ces structures de GaN présentent un caractère homo-épitaxial, mais une plus forte défectuosité que leur germe. En utilisant une approche multi-cycles, nous avons pu élaborer des films de GaN:Mg présentant des concentrations en Mg très élevées, contrôlables entre 3.1019 cm-3 et 8.1021 cm-3. Cependant, de fortes concentrations en impuretés C, H et O ont également été détectées dans ces films. Diverses voies ont été explorées, sans succès, pour tenter de réduire la contamination en O, d'un niveau rédhibitoire pour l'obtention d'un dopage de type p. En pratique, les films de GaN:Mg obtenus apparaissent très conducteurs de type n, pour des dopages au Mg modérés, et semi-isolants aux plus forts dopages. Différents matériaux de masques ont été testés en vue de localiser la croissance / For peripheral protection of GaN power electronics devices, we have explored a new approach for performing localized homo-epitaxy of p-doped GaN, by implementing Vapor-Liquid-Solid (VLS) transport. The growth cycle includes three successive steps. At first, Ga is deposited onto the seed surface by MOCVD from TEG, resulting in an array of Ga droplets with submicrometric diameters. Then, Mg is incorporated into the droplets from the gas phase, using (MeCP)2Mg precursor. In the last step, Ga-Mg droplets are nitridated at 500-700°C in flowing ammonia diluted in a carrier gas.After one complete growth cycle, a network of well separated submicrometric GaN dots or ring-shaped features is systematically obtained. Increasing the Mg incorporation into the droplets drastically influences the growth mode, promoting a pure VLS growth mechanism, at the Liquid/Solid interface, versus growth at the triple line. Such GaN structures show a homo-epitaxial relationship with the seed, but a higher crystalline imperfection. Using a multi-cycles approach, GaN films could be obtained, with very high Mg concentrations tunable from 3.1019 to 8.1021 cm-3. Nevertheless, O, C and H impurities are also incorporated at high levels. Various approaches have been vainly investigated to try reducing O contamination level, prohibitive for obtaining p-type material. Actually, as-grown GaN:Mg films are n-type and highly conductive, for moderate Mg concentrations, and become semi-insulating at highest doping levels. Various masking materials have been tested for growth localization purpose

La thèse porte sur l’étude du dopage de type p, à base de Mg, dans des nanostructures de GaN, dans le but de relier la distribution spatiale du dopant à son activité électrique grâce à la corrélation entre sonde atomique tomographique (APT) et holographie électronique hors axe optique réalisée dans un microscope électronique en transmission (TEM). L'APT est une technique de caractérisation qui repose sur l'évaporation par effet de champ des atomes de surface d'un échantillon, permettant l'analyse en termes de morphologie et de composition, en trois dimensions et à l'échelle atomique. L'holographie électronique hors axe optique fournit des cartographies du potentiel électrostatique introduit par les dopants actifs électriquement. Dans un premier temps, les conditions expérimentales ont dues être optimisées pour chacune des techniques, incluant la préparation des échantillons, les conditions de mesure ainsi que le traitement des données, de façon à obtenir des données fiables et les plus quantitatives possibles. Une analyse soigneuse et détaillée des artefacts et des erreurs qu’ils introduisent est rapportée. Il a en particulier été montré que réaliser les expériences d’holographie in-situ à haute température (400 °C) grâce à un porte-objet chauffant permettait d’augmenter très significativement le signal lié au dopage et ainsi accroitre la sensibilité de la mesure. Dans un deuxième temps, ces deux méthodes d’analyse ont été corrélées pour étudier d’une part l’influence de la température de croissance en MOCVD, d’autre part celle de la concentration nominale en dopants dans des nanostructures dédiées GaN. Nous avons pu confirmer grâce à l’APT l’existence de précipités riches en Mg dès que la concentration nominale excède environ 3E19 cm-3, dont la densité augmente avec la concentration nominale et diminue avec la température de croissance. Leur présence diminue la concentration en dopants potentiellement actifs situés dans la matrice en dehors de ces précipités. Néanmoins, les résultats obtenus par holographie, appuyés par des simulations numériques, indiquent que ces précipités n’auraient pas un rôle prépondérant dans la variation du potentiel électrostatique en fonction de la concentration nominale en dopants même pour des concentrations en Mg qui s’élèvent à 2E20cm-3. / The aim of the thesis is to develop a methodology for the investigation of Mg which acts as p-type doping in GaN. We relate the spatial distribution of the dopants with their electrical activity which is achieved by coupling two complementary approaches, Atom Probe Tomography (APT) and Off-axis electron holography. These measurements have also been combined with high-resolution electron microscopy (HR-(S)TEM) for the structural characterization. APT is a unique characterization technique, based on the field effect evaporation of individual atoms of a needle shape sample, allowing the analysis of nano-devices both in terms of morphology and composition in three dimensions at the atomic scale. Off-axis electron holography uses an electron biprism to form an interference pattern from which the electrostatic potential arising from the active dopants can be determined. In this work the experimental procedure has been optimized for both techniques including specimen preparation, the microscope parameters and data treatment to recover accurate information about the position and activity of the dopants. For the holography measurements, a careful analysis of the artifacts that are present in these specimen has been performed to understand the effects of specimen preparation and charging under electron irradiation. We have performed these experiments at high temperature in-situ in the TEM (400 °C) as this increases the ionized dopant concentrations and reduces the artifacts that are present in our measurements. Having developed the methodology, these two techniques are then used to study the effect of temperature and dopant concentrations on the growth of Mg-doped GaN by MOCVD. We have been able to show by APT the existence of precipitates of Mg which are present from a concentration of 3E19 cm-3 whose size and density depends on the growth temperature and the total nominal dopant concentration. Their presence reduces the concentration of dopants that are potentially active in the specimens. However, the measurements of active dopants by holography combined with simulations suggest that the presence of these precipitates do not dominate the electrical properties of the material and that even in very highly doped specimens up to 2E20cm-3 the total active dopant concentrations are still higher than expected from previously published studies. The correlation between these techniques will provide valuable information to improve the Mg activation GaN which is currently a big issue for device manufacture.

In dieser Arbeit wurden die komplexen Mechanismen für den Einbau von Mg und In in (Ga,In)N/GaN(0001)-Heterostrukturen, die mittels PA-MBE hergestellt wurden, mit morphologischen, optischen und elektrischen Charakterisierungsmethoden untersucht. Darüber hinaus wurde die Verwendung von (Ga,In)N/GaN SPSLs als HIL oder als aktiver Bereich in herkömmlichen LED-Strukturen untersucht. In-situ-Messungen zeigten, dass die Desorption von In in Gegenwart von N und Mg auf der GaN(0001)-Oberfläche zunimmt. Ferner wurden Mg-dotierte (Ga,In)N/GaN-SLs mittels PAMBE gezüchtet und mittels QMS, XRD und SIMS charakterisiert. Die (Ga,In)N/GaN-SLs zeigten eine bessere Oberflächenmorphologie als die (Ga,In)N-Schichten, die homogen mit Mg dotiert wurden. Jedoch wurde eine deutliche Abnahme des In-Gehalts in der (Ga,In)N ML festgestellt, wenn Mg gleichzeitig mit In zugeführt wurde. Gleichzeitig nahm die Mg-Konzentration in Gegenwart von In zu, was möglicherweise auf eine Wirkung als oberflächenaktive Substanz zurückzuführen ist. Für das SL, bei dem nur die (Ga,In)N-QWs mit Mg dotiert waren, wurde vom Messergebnis von SIMS eine maximale Mg-Konzentration von 2,6 × 1022 cm-3 für eine 1 ML dicke (Ga,In)N:Mg-Schicht deduziert. Zusätzlich haben andere Experimente ähnliche Ergebnisse aufgezeigt. Thermoleistung-Studien zeigten, dass das Delta-dotierte SL und die SL-Strukturen mit Mg-Dotierung in 20% der QB p-leitfähig sind. Zusätzlich wurde ein Gleichrichterverhalten der (Ga,In)N/GaN SL-Strukturen mit einem Idealitätsfaktor von weniger als 10 für die QW-dotierten SLs demonstriert. Ausgehend von der elektrischen Charakterisierung wurden drei verschiedene LED-Strukturen, die auf den vielver-sprechendsten Mg-dotierten (Ga,In)N SL-Strukturen (Delta-dotiertes SL und 20% QB-dotiertes SL) basierten, hergestellt und charakterisiert. / In this thesis, the complex mechanisms for the incorporation of Mg and In in (Ga,In)N/GaN(0001) heterostructures prepared by PA-MBE were investigated by morphological, optical, and electrical characterization methods. Furthermore, the implementation of (Ga,In)N/GaN SPSLs as a HIL or as the active region in conventional LED structures have been studied. In-situ measurements demonstrate that the desorption of In increases in the presence of both, N and Mg on the GaN(0001) surface. Further, (Ga,In)N/GaN SLs with Mg-doping grown by PAMBE and their characterization was carried out by QMS, XRD, and SIMS. A better surface morphology was obtained for the (Ga,In)N/GaN SLs in comparison to a (Ga,In)N layer homogeneously doped with Mg. Although, a notable decrease of the In content in the (Ga,In)N ML was revealed when Mg was supplied simultaneously to In. At the same time, the Mg concentration increased in the presence of In, which can possibly be attributed to a surfactant effect. For the SL that had only its (Ga,In)N QWs doped with Mg, a maximum Mg concentration of 2.6 × 1022 cm 3 for a 1 ML thick (Ga,In)N:Mg layer was deduced from SIMS measurements. Additionally, similar results have achieved later by another set of experiments. Thermopower studies revealed the p-type conductivity of the delta doped SL and of the SL structures with 20% of the QB doped by Mg. Additionally, a rectifying behavior with an ideality factor lower than 10 was demonstrated for the (Ga,In)N/GaN SL structures with QW fully doped. Based on the electrical characterization, three different LED structures were fabricated based on the most promising Mg-doped (Ga,In)N SL structures (delta doped SL, and 20% QB doped SL) and characterized.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Wurtzit M-plane (In,Ga)N(1-100)-Heterostrukturen auf g-LiAlO2(100) mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, und optischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen werden untersucht. Ferner werden M-plane (In,Ga)N/GaN Multiquantenwells (MQWs) hergestellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Schließlich wird der Einbau von Mg in M-plane GaN untersucht, um p-Typ-Leitfähigkeit zu erreichen. Die Arbeit beginnt mit einer Einführung bezüglich der Verspannung und der elektrostatischen Polarisation in Nitriden. Die Motivation fuer das Wachstum in [1-100]-Richtung anstatt in der konventionellen [0001]-Richtung ist, dass die GaN(1-100)-Flaeche nichtpolar ist, da sie aus einer gleichen Anzahl dreifach koordinierter Ga- und N-Atome aufgebaut ist. GaN ist überdies nicht piezoelektrisch in der [1-100]-Richtung. Das daraus folgende Fehlen elektrostatischer Felder in dieser Richtung stellt einen klaren Vorteil für die Leistung von GaN-basierenden hocheffizienten Leuchtdioden (LEDs) dar. Entsprechende [0001]-orientierte Strukturen, die auf konventionellen Substraten wie Al2O3 und SiC abgeschieden werden, leiden unter einer verringerten Effizienz durch die Präsenz der spontanen und piezoelektrischen Polarisation in dieser Wachstumsrichtung. Die Eigenschaften des Substrats LiAlO2 in Bezug auf das MBE-Wachstum werden anschliessend diskutiert. Es wird gezeigt, daß die thermische Stabilität von LiAlO2 fuer das MBE-Wachstum von Heterostrukturen geeignet ist. Die Polaritaet von LiAlO2 hat einen entscheidenden Einfluß auf die Phasenreinheit der GaN-Filme, und die Wahl der richtigen Polaritaet ist Voraussetzung fuer die Herstellung von einphasigen M-plane GaN-Schichten. In Kapitel 4 wird der Einfluß der Nukleationsbedingungen auf die strukturellen und morphologischen Eigenschaften von M-plane GaN-Filmen systematisch untersucht. Ferner wird die Ga-Adsorption und -Desorption ausführlich untersucht. Optimale Wachstumsbedingungen werden etabliert, die es ermoeglichen, M-plane-GaN-Schichten hoher Qualitaet reproduzierbar zu erhalten. Die Mikrostruktur der M-plane-GaN-Schichten, untersucht mittels Transmissionselektronenmikroskopie, ist durch eine hohe Dichte an Stapelfehlern als dominierenden Defekt gekennzeichnet. Vollstaendige Fadenversetzungen, die die dominanten Defekte in C-plane GaN sind, werden dagegen nicht beobachtet. Die Korrelation zwischen den Stapelfehlern und den optischen Eigenschaften der Films wird untersucht. Eine intensive Emissionslinie wird in Tieftemperatur-Photolumineszenzspektren beobachtet, die an Stapelfehlern gebundenen Exzitonen zugeordnet wird. In Kapitel 6 wird die erfolgreiche Synthese von M-plane-(In,Ga)N/GaN-MQWs beschrieben. Das Zusammensetzungsprofil dieser Strukturen wird mittels Roentgendiffraktometrie und Sekundaerionenmassenspektrometrie untersucht. Die Ergebnisse belegen eine betraechtliche Oberflaechensegregation von In, die zu einem erniedrigten In-Gehalt sowie stark verbreiterten Quantenwells führt. Der erhaltene In-Gehalt von 7% ist niedriger als derjenige (15%), der in entsprechenden C-plane-Strukturen gefunden wird, die unter identischen Bedingungen hergesellt wurden. Dieses Resultat deutet auf eine niedrigere Einbaueffizienz von In auf (1-100) verglichen mit (0001) hin. Die Abhaengigkeit der Übergangsenergien von der Quantenwellbreite dieser M-plane-MQWs belegt die Abwesenheit interner elektrostatischer Felder entlang der Wachstumsrichtung. Die Rekombinationsdynamik in diesen MQWs wird im Detail untersucht. Sie ist stark von lokalisierten Zuständen beeinflußt. Im Gegensatz zu C-plane-Strukturen, wird in diesen M-plane MQWs eine starke Polarisation der spontanen Emission in der Filmebene mit einem energieabhängigen Polarisationsgrad von bis zu 96% beobachtet. In Kapitel 7 wird der Einfluß der Wachstumstemperatur und der Stoechiometrie auf den Mg-Einbau in GaN(1-100) zur p-Dotierung untersucht. Eine Mg-Konzentration bis zu 8×1020 cm-3 kann in M-plane-GaN-Schichten ohne beobachtbare Degradation der Kristallqualität erreicht werden. Es wird sowohl eine Diffusion als auch eine Segregation von Mg in M-plane GaN beobachtet. Zusaetzlich wird eine ausgepraegte Abhaengigkeit des O-Einbaus von der Mg-Dotierung beobachtet, was auf die hohe Reaktivitaet von Mg mit O zurückgeführt wird. Sowohl optische als auch elektrische Messungen weisen darauf hin, daß Mg in diesen M-plane GaN-Schichten als Akzeptor eingebaut wird. / In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite M-plane (In,Ga)N(1-100) heterostructures on g-LiAlO2(100) by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, and optical doping properties of M-plane GaN. Furthermore, we fabricate M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells and investigate their structural and optical properties. Finally, the incorporation of Mg in $M$-plane GaN is studied to achieve p-type conductivity. We start by giving an introduction concerning strain and electrostatic polarization fields. The motivation of growth along the [1-100] direction, instead of along the conventional [0001] direction is presented. The GaN(1-100) plane is nonpolar since it is composed of equal numbers of three-fold coordinated Ga and N atoms. Furthermore, GaN is not piezoelectrically active along the [1-100] direction. The resulting absence of electrostatic fields in this direction constitutes a distinct advantage for fabricating high-efficiency light-emitting diodes(LEDs). Corresponding [0001]-oriented structures grown on conventional substrates such as Al2O3(0001) and SiC(0001), suffer from a degradation of luminescence efficiency by the presence of both spontaneous and piezoelectric polarization along the growth direction. The properties of the LiAlO2 substrate with respect to MBE growth are discussed next. The thermal stability of LiAlO2 is demonstrated to be suitable for MBE-growth of heterostructures. The polarity of LiAlO2 is found to have a crucial influence on the phase-purity of the GaN films. The synthesis of pure M-plane GaN is preferentially achieved on one face of the substrate. The impact of nucleation conditions on the structural and morphological properties of M-plane GaN films is systematically investigated. Furthermore, a comprehensive study of Ga adsorption and desorption on the M-plane is presented. Optimum growth conditions are established, and high quality M-plane GaN can be obtained reproducibly. Concerning the microstructure of our M-plane GaN layers, stacking faults are found by transmission electron microscopy (TEM) to be the dominant defects, while perfect threading dislocations, which are the dominant defects (108-1010 cm-2) in C-plane GaN, are not observed by TEM. The correlation between the stacking faults and the optical properties of the films is explored. A strong transition from excitons bound to stacking faults is observed by low temperature photoluminescence measurements. The successful synthesis of M-plane (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells (MQWs) is demonstrated. The composition profiles of these structures are investigated by both x-ray diffractometry and secondary ion-mass spectrometry. The results reveal significant In surface segregation, resulting in a reduced In content and much wider wells than intended. The resulting In content of ~7% is lower than that obtained (~15%) for corresponding C-plane structures grown under identical conditions, suggesting a lower In incorporation efficiency on the (1-100) plane compared to the (0001) plane. The dependence of the transition energies on the well thickness of these M-plane quantum wells evidences the absence of internal electrostatic fields along this growth direction. The recombination dynamics in these MQWs is investigated in detail, and is found to be strongly influenced by localized states. Furthermore, in contrast to C-plane (0001) structures, a strong in-plane anisotropy of the spontaneous emission with an energy-dependent polarization degree of up to 96% is observed in the M-plane (In,Ga)N/GaN MQWs. Finally, the impact of the growth temperature and stoichiometry on the Mg incorporation in GaN(1-100) is investigated. Mg doping levels up to 8×1020 cm-3 can be obtained in M-plane GaN, with no observed degradation in crystal quality. Both Mg diffusion and surface segregation in M-plane GaN are observed. In addition, a pronounced dependence of the O incorporation on the Mg doping is observed, and attributed to the high reactivity of Mg with O. Both optical and electrical measurements indicate that Mg acts as an acceptor in the Mg-doped M-plane layers.

Hmotnostná spektrometria sekundárnych iónov s analýzou doby letu (TOF-SIMS) patrí vďaka vysokej citlivosti na prvkové zloženie medzi významné metódy analýzy pevných povrchov. Táto práca demonštruje možnosti TOF-SIMS v troch odlišných oblastiach výskumu. Prvá časť práce sa zaoberá lokalizáciou defektov vysokonapäťových polovodičových súčiastok, ktorá je nevyhnutná k ich ďalšiemu skúmaniu metódou TOF-SIMS. Bola navrhnutá experimentálna zostava s riadiacim softvérom umožňujúca automatizované meranie záverného prúdu v rôznych miestach polovodičový súčiastok. Druhá časť práce sa zaoberá kvantifikáciou koncentrácie Mg dopantov v rôznych hĺbkach vzoriek AlGaN. Kvantifikácia je založená na metóde RSF a umožňuje charakterizáciu AlGaN heteroštruktúr určených na výrobu tranzistorov s vysokou elektrónovou mobilitou (HEMT) alebo na výrobu rôznych optoelektronických zariadení. Sada 12 AlGaN kalibračných vzoriek dopovaných Mg, určených na kvantifikáciu hĺbkových profilov, bola pripravená metódou iónovej implantácie. Posledná časť práce demonštruje možnosti metódy TOF-SIMS vo výskume heterogénnej katalýzy. Hlavným objektom nášho výskumu je dynamika oxidácie CO na oxid uhličitý na polykryštalickom povrchu platiny za tlakov vysokého vákua. V tejto práci prezentujem prvé TOF-SIMS pozorovanie časopriestorových vzorov v reálnom čase, ktoré vznikajú v dôsledku rôzneho pokrytia povrchu Pt reaktantmi. Výsledky TOF-SIMS experimentu boli porovnané s výsledkami podobného experiment v rastrovacom elektrónovom mikroskope (SEM).