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.