Die vorliegende Arbeit ist eine umfassende Studie über das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) und die gemessenen Seebeck Koeffizienten und Lochtransport Eigenschaften von p‑Typ Oxiden, eine Materialklasse welche die optische Transparenz und die einstellbare Leitfähigkeit verbindet. Insbesondere, Nickeloxid (NiO) und Zinnmonoxid (SnO) wurden mittels plasmaunterstützter MBE unter Einsatz von einer Metall‑Effusionszelle und einem Sauerstoffplasma gewachsen. Für das NiO Wachstum wurden vor allem die Wachstumsgrenzen bei hohen Temperaturen festgelegt, welche von der Substratstabilität im Falle von Magnesiumoxid und Galliumnitrid abhängen. Es wird die Möglichkeit der Qualitätsbewertung mittels Ramanspektroskopie für Natriumchlorid-Strukturen gezeigt. Untersuchung der NiO Dotierung durch Oberflächen-Akzeptoren und der damit verbundenen Oberflächen‑Loch‑Anreicherungsschicht offenbart eine neue Dotierungsmöglichkeit für p‑leitende Oxide im Allgemeinen. Die metastabile Phase des SnO wird mittels PAMBE unter Verwendung bekannter Wachstumskinetik von Zinndioxid und verschiedener in‑situ Methoden stabilisiert, die anwendungsrelevante thermische Stabilität wird untersucht. Anschließende ex‑situ Charakterisierungen durch XRD und Ramanspektroskopie identifizieren das kleine Wachstumsfenster für das epitaktische Wachstum von SnO. Elektrische Messungen bestätigen die p‑Typ Ladungsträger mit vielversprechenden Löcherbeweglichkeiten welche auch für Hall Messungen zugänglich sind. Temperaturabhängige Hall Messungen zeigen einen bandähnlichen Transport welcher auf eine hohe Qualität der gewachsenen Schichten hindeutet. Die Funktionalität der gewachsenen Schichten wird durch verschiedene Anwendungen nachgewiesen. Zum Beispiel werden pn‑Heteroübergänge wurden durch das heteroepitaktische Wachstum der SnO Schichten auf einem Galliumoxid-Substrat erlangt. Die ersten bisher berichteten SnO-basierten pn‑Übergänge mit einem Idealitätsfaktor unter zwei wurden erreicht. / This thesis presents a comprehensive study on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) and the measured Seebeck coefficients and hole transport properties of p‑type oxides, a material class which combines transparency and tunable conductivity. Specifically, Nickel oxide (NiO) and tin monoxide (SnO) were grown by plasma‑assisted MBE using a metal effusion cell and an oxygen plasma. For NiO growth, the focus lies on high temperature growth limits which were determined by the substrate stability of magnesium oxide and gallium nitride. Quality evaluation by Raman spectroscopy for rock‑salt crystal structures is demonstrated. Investigations of NiO doping by surface acceptors and the related surface hole accumulation layer reveal a new doping possibility for p‑type oxides in general. The meta‑stable SnO is stabilized by PAMBE utilizing known growth kinetics of tin dioxide and various in‑situ methods, its application-relevant thermal stability is investigated. Following ex‑situ characterizations by XRD and Raman spectroscopy identify secondary phases and a small growth window for the epitaxial growth of SnO. Electrical measurements confirm the p‑type carriers with promising hole mobilities accessible to Hall measurements. Temperature dependent Hall measurements show band‑like transport indicating a high quality of the grown layers. The functionality of the grown layers is proven by various applications. For example, pn‑heterojunctions were achieved by heteroepitaxial growth of the SnO layers on gallium oxide substrates. The first reported SnO based pn‑junction with an ideality factor below two is accomplished.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum von BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) Schichten mittels Plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie (PAMBE). Für die Realisierung der BSO/LIO Heterostruktur müssen zuvor Wege für ein stabiles Herstellungsverfahren sowohl der BSO als auch der LIO Schichten gefunden werden. Aus diesem Grund beschäftigt sich der erste Teil dieser Arbeit mit den Herausforderungen der Suboxidbildung und Suboxidquellen. Das Wissen um Suboxide ist alt, aber es wurde bisher nicht stark in der Anwendung der Oxid-MBE berücksichtig oder benutzt. Engagierte Studien werden in dieser Arbeit durchgeführt, die zeigen, dass bei Suboxidquellen wie z.B. der Mischung aus SnO2 und Sn sich die Einbaukinetik gegenüber einer elementaren Quelle (z.B. Zinn) vereinfacht. Die in dieser Arbeit herausgearbeitete Effizienz der Mischquellen hat bereits dazu geführt, dass weitere Oxide wie Ga2O3 und SnO mit Hilfe von Suboxid-MBE gewachsen wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die entwickelten Quellen genutzt und die BSO und LIO Wachstumsparameter bestimmt, sowie deren Abhängigkeit im Kontext von thermodynamischen Ellinghamdiagrammen diskutiert. Die Besonderheit beim BSO Wachstum liegt dabei auf der Verwendung einer Mischquelle bestehend aus SnO2 + Sn wodurch SnO Suboxid gebildet wird, welches zum Wachstum beiträgt. Ein zwei-dimensionalen Elektronengas an der Grenzfläche der BSO/LIO Heterostruktur wird realisiert durch gezielte Grenzflächenterminierung mit Hilfe einer Zellverschlusssequenz. Durch die Kontrolle der Grenzflächenterminierung im Monolagenbereich können Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich um 3 - 5 × 1013 cm−2 und Beweglichkeiten μ > 100 cm2/Vs zuverlässig und reproduzierbar realisiert werden. / The present work investigates the growth of BaSnO3/LaInO3 (BSO/LIO) heterostructures using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE). Prior to the realization of the BSO/LIO heterostructure, ways for stable and reliable growth of both BSO and LIO layers have to be developed. Therefore, the first part of this thesis addresses the challenges of suboxide formation and suboxide sources. The knowledge about suboxides is rather old, however, so far it is barely considered or used in oxide MBE. Dedicated studies performed in this thesis show that for suboxide sources such as a mixture of SnO2 and Sn the growth kinetics simplify compared to an elemental source (e.g., Sn). The efficiency of mixed sources, that is worked out in this thesis, already led to the growth of other oxides such as Ga2O3 or SnO using suboxide MBE. In the second part of this thesis growth parameters for BSO and LIO, using the developed sources, are determined and their dependence in the context of thermodynamic Ellingham diagrams is discussed. The growth of BSO is realized by the use of a mixed source consisting of SnO2 + Sn, which forms SnO suboxide that is contributed to the growth. A two-dimensional electron gas at the interface of the BSO/LIO heterostructure is realized by engineering the interface termination using a controlled cell shutter sequence. By controlling the interface termination down to mono layer precision, charge carrier densities in the range of 3 - 5 × 1013 cm−2 and mobilities μ > 100 cm2/Vs can be achieved reliably and reproducibly.

In this report the influence of the growth conditions on the surface morphology of AlGaN/GaN heterostructures grown on sapphire-based and bulk GaN substrates is nondestructively investigated with focus on the decoration of defects and the surface roughness. Under Ga-rich conditions specific types of dislocations are unintentionally decorated with shallow hillocks. In contrast, under Ga-lean conditions deep pits are inherently formed at these defect sites. The structural data show that the dislocation density of the substrate sets the limit for the density of dislocation-mediated surface structures after MBE overgrowth and no noticeable amount of surface defects is introduced during the MBE procedure. Moreover, the transfer of crystallographic information, e.g. the miscut of the substrate to the overgrown structure, is confirmed. The combination of our MBE overgrowth with the employed surface morphology analysis by atomic force microscopy (AFM) provides a unique possibility for a nondestructive, retrospective analysis of the original substrate defect density prior to device processing.

Group III-nitride semiconductors have received much research attention and witnessed a significant development due to their ample applications in solid-state lighting and high-power/high-frequency electronics. Numerous growth methods were explored to achieve device quality epitaxial III-nitride semiconductors. Among the growth methods for III-nitride semiconductors, molecular beam epitaxy provides advantages such as formation of abrupt interfaces and in-situ monitoring of growth. The present research work focuses on the growth and characterizations of III-nitride based epitaxial films, nanostructures and heterostructures on c-sapphire substrate using plasma-assisted molecular beam epitaxy system. The correlation between structural, optical and electrical properties of III-nitride semiconductors would be extremely useful. The interfaces of the metal/semiconductor and semiconductor heterostructures are very important in the performance of semiconductor devices. In this regard, the electrical transport studies of metal/semiconductor and semiconductor heterostructures have been carried out. Besides, studies involved with the defect induced room temperature ferromagnetism of GaN films and InN nano-structures have also been carried out. The thesis is organized in eight different chapters and a brief overview of each chapter is given below. Chapter 1 provides a brief introduction on physical properties of group III-nitride semiconductors. It also describes the importance of III-nitride heterostructures in the operation of optoelectronic devices. In addition, it also includes the current strategy of the emergence of room temperature ferromagnetism in III-nitride semiconductors. Chapter 2 deals with the basic working principles of molecular beam epitaxy system and different characterization tools employed in the present work. Chapter 3 describes the growth of GaN films on c-sapphire by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The effects of N/Ga flux ratio on structural, morphological and optical properties have been studied. The flux ratio plays a major role in controlling crystal quality, morphology and emission properties of GaN films. The dislocation density is found to increase with increase in N/Ga flux ratio. The surface morphologies of the films as seen by scanning electron microscopy show pits on the surface and found that the pit density on the surface increases with flux ratio. The room temperature photoluminescence study reveals the shift in band-edge emission towards the lower energy with increase in N/Ga flux ratio. This is believed to arise from the reduction in compressive stress in the GaN films as it is evidenced by room temperature Raman study. The transport studies on the Pt/GaN Schottky diodes showed a significant increase in leakage current with an increase in N/Ga ratio and is found to be caused by the increase in dislocation density in the GaN films. Chapter 4 deals with the fabrication and characterization of Au/GaN Schottky diodes. The temperature dependent current–voltage measurements have been used to determine the current transport mechanism in Schottky diodes. The barrier height (φb) and the ideality factor (η) are estimated from the thermionic emission model and are found to be temperature dependent in nature, indicating the existence of barrier height inhomogeneities at the Au/GaN interface. The conventional Richardson plot of ln(Is/T2) versus 1/kT gives Richardson constant value of 3.23×10-5 Acm-2 K-2, which is much lower than the known value of 26.4 Acm-2 K-2 for GaN. Such discrepancy of Richardson constant value was attributed to the existence of barrier height inhomogeneities at the Au/GaN interface. The modified Richardson plot of ln(Is/T2)-q2σs2/2k2T2 versus q/kT, by assuming a Gaussian distribution of barrier heights at the Au/GaN interface, provides the Schottky barrier height of 1.47 eV and Richardson constant value of 38.8 Acm-2 K-2 which is very close to the theatrical value of Richardson constant. The temperature dependence of barrier height is interpreted on the basis of existence of the Gaussian distribution of the barrier heights due to the barrier height inhomogeneities at the Au/GaN interface. Chapter 5 addresses on the influence of GaN underlayer thickness on structural, electrical and optical properties of InN thin films grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy. The high resolution X-ray diffraction study reveals superior crystalline quality for the InN film grown on thicker GaN film. The electronic and optical properties seem to be greatly influenced by the structural quality of the films, as can be evidenced from Hall measurement and optical absorption spectroscopy. Also, we present the studies involving the dependence of structural, electrical and optical properties of InN films, grown on thicker GaN films, on growth temperature. The optical absorption edge of InN film is found to be strongly dependent on carrier concentration. Kane’s k.p model is used to describe the dependence of optical absorption edge on carrier concentration by considering the non-parabolic dispersion relation for carrier in the conduction band. Chapter 6 deals with the analysis of the temperature dependent current transport mechanisms in InN/GaN heterostructure based Schottky junctions. The barrier height (φb) and the ideality factor (η) of the InN/GaN Schottky junctions are found to be temperature dependent. The temperature dependence of the barrier height indicates that the Schottky barrier height is inhomogeneous in nature at the heterostructure interface. The higher value of the ideality factor and its temperature dependence suggest that the current transport is primarily dominated by thermionic field emission (TFE) other than thermionic emission (TE). The room temperature barrier height and the ideality factor obtained by TFE model are 1.43 eV and 1.21, respectively. Chapter 7 focuses on the defect induced room temperature ferromagnetism in Ga deficient GaN epitaxial films and InN nano-structures grown on c-sapphire substrate by using plasma-assisted molecular beam epitaxy. The observed yellow emission peak in room temperature photoluminescence spectra and the peak positioning at 300 cm-1 in Raman spectra confirms the existence of Ga vacancies in GaN films. The ferromagnetism in Ga deficient GaN films is believed to originate from the polarization of the unpaired 2p electrons of nitrogen surrounding the Ga vacancy. The InN nano-structures of different size are grown on sapphire substrate, the structural and magnetic properties are studied. The room temperature magnetization measurement of InN nano-structures exhibits the ferromagnetic behavior. The saturation magnetization is found to be strongly dependent on the size of the nano-structures. Finally, Chapter 8 gives the summary of the present work and the scope for future work in this area of research.

Das Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Ferromagnet-Halbleiter-Nanodraht-Strukturen in einer Kern-Hülle-Geometrie. Diese wird mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Verwendung von GaAs und Fe3Si ausgeführt. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, ob sich mit derartigen Strukturen Magnetisierungen senkrecht zum Substrat realisieren lassen. Eine solche Konfiguration der Magnetisierung innerhalb bestimmter Strukturen ist wünschenswert, denn sie bildet die Grundlage einiger zukunftsweisender spintronischer Bauteilkonzepte. Aufgrund der Formanisotropie dünner Schichten ist diese Konfiguration der Magnetisierung in planaren Strukturen nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen. Bildet sich hingegen in den Nanodraht-Hüllen eine Stabmagnetisierung aus, so führt dies direkt zur gewünschten senkrechten Magnetisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Epitaxie-Prozess vorgestellt. Abhängig von den Wachstumsparametern können Hüllen mit glatten Seitenflachen, einer hohen Kristallordnung, ebenen Grenzflachen zum GaAs-Kern und epitaktischer Ausrichtung realisiert werden. Der zweite Teil behandelt die magnetischen Eigenschaften der Nanodrahte. Ensemble-Charakterisierungen sind hierbei in diesem Fall nicht geeignet. Einzeldraht-Messungen hingegen zeigen, dass sich in den Nanodraht-Hüllen wie erhofft eine Stabmagnetisierung ausbildet. Der dritte und letzte Teil dieser Dissertation umfasst die Einführung mehrerer zukunftsweisender Bauteilkonzepte, basierend auf den speziellen magnetischen Eigenschaften der hier vorgestellten Nanodrahte. Dazu gehören dreidimensionale Speicherarchitekturen mit bislang unerreichten Speicherkapazitäten und zirkular polarisiertes Licht emittierende Leuchtdioden für einen enorm schnellen Spininformations-Transfer zur Intrachip-Kommunikation. / The subject of the present work is the synthesis of ferromagnet-semiconductor coreshell nanowires. To realize such structures molecular beam epitaxy has been employed. For the investigation the well-suited materials systems GaAs and Fe3Si are used. Within the framework of this thesis the open question whether a magnetization in the nanowires that is perpendicular to the nanowire’s substrate can be realized is of special interest. Such a configuration of the magnetization is desirable, because some spintronic device concepts rely on magnetizations perpendicular to the substrate. In general, with the exception of very limited and highly specific materials, the shape anisotropy of thin magnetic layers causes the magnetic moments to orient along an in-plane direction and therefore, perpendicular configurations of the magnetization do not occur at equilibrium conditions. In contrast, magnetic nanowires with moments pointing along the wire axis directly provide the desired out-of plane magnetization. In the first part, the epitaxial procedure to realize the core-shell nanowires is described. Nanowires with smooth side walls, smooth interface to the GaAs core, a fairly high structural ordering and an epitaxial orientation relationship are produced. In the second part, the magnetic properties of the core-shell nanowires are analyzed. It is shown that characterizations of an ensemble of wires cannot resolve magnetic properties of the shells. Investigations on single nanowires however revealed that the magnetization in the shells is indeed as desired oriented along the wires. Several innovative device concepts based on the specific magnetic properties of these core-shell nanowires are finally introduced in the third part of this work. Within these concepts three-dimensional magnetic recording devices with unsurpassed data storage capacities and circular polarized light emitting diodes for tremendously fast spin information transfer for intrachip communication can be realized.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden nanoskopische Strukturen von II-VI-Verbindungshalbleitern unterschiedlicher Ausdehnung (zweidimensionale Schichten oder nulldimensionale Quantenpunkte) im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie erzeugt worden sind. Als Substratmaterial diente generell (001)-orientierts GaAs. Schichten von (Zn,Cd)Se eingebettet in ZnSe wurden hinsichtlich der thermischen Stabilität der Grenzflächen bei variierter Schichtdicke analysiert. Die Realstruktur der Grenzflächen wurde mittels Beugungskontrastabbildung und hochaufgelöster Gitterabbildung (HRTEM) charakterisiert. Für eine Schichtdicke von 30 nm, die unterhalb des kritischen Wertes zur Entstehung von Fehlpassungsversetzungen von etwa 70 nm liegt, findet ausschließlich elastische Deformation des aufwachsenden Materials statt. Bei Überschreitung der kritischen Schichtdicke (100 und 300 nm) bilden sich in der Grenzfläche Versetzungen aus. Deren Dichte ist einerseits von der Schichtdicke abhängig, wird andererseits aber auch von den elastischen Eigenschaften des aufwachsenden Materials beeinflußt. Mit der Methode der energiedispersiven Röntgenspektroskopie wurden Cd-Konzentrationsprofile für die unterschiedlich dicken (Zn,Cd)Se-Schichten nach thermischer Behandlung gewonnen. Diese Konzentrationsprofile konnten unter Ansatz eines temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten simuliert werden. Es wurden von der Schichtdicke und damit von der Dichte der Fehlpassungsversetzungen unabhängige Cd-Diffusionskoeffizienten gefunden. Für 320 °C nimmt er einen Wert von ca. 5*10^-19 cm^2/s an, bei 400 °C beträgt er etwa 5*10^-17 cm^2/s. Die nulldimensionalen CdSe/ZnSe-Quantenpunktstrukturen bilden sich während eines Selbstorganisationsprozesses, dessen Ursache in der Gitterfehlpassung zwischen den beiden Komponenten von etwa 7 % zu sehen ist. Während der Selbstorganisation ordnet sich die oberste von drei CdSe-Monolagen in Quantenpunkte um. Die TEM-Untersuchungen an diesen Strukturen wurden sowohl im Querschnitt als auch in planarer Projektion durchgeführt. Neben den Quantenpunkten wurden bei Wachstum auf einer 25 nm dicken und damit ausschließlich elastisch verspannten ZnSe-Pufferschicht zusätzlich Versetzungen und Stapelfehler gefunden. Dagegen erwies sich das CdSe bei Abscheidung und Umordnung auf einer 1 µm dicken ZnSe-Pufferschicht als defektfrei. Die Höhe der Quantenpunkte betrug etwa 2 bis 3 nm, während deren laterale Ausdehnung zwischen 5 und 50 nm variierte. Hinsichtlich der Merkmale der Beugungskontrastmuster in planarer Projektion ließen sich zwei Klassen von Objekten unterscheiden. Die Quantenpunkte ohne erkennbare Strukturierung innerhalb der Beugungskontrastmuster waren etwa 5 bis 10 nm groß und mit einer Flächendichte von 1*10^10 cm^-2 verteilt. Die Quantenpunkte mit einer lateralen Ausdehnung von 10 bis 50 nm bei einer Flächendichte von 2*10^9 cm^-2 zeigten dagegen eine innere Strukturierung. Diese Beugungskontrastmuster wurden mit simulierten Mustern verglichen, für die unterschiedliche Formen von Quantenpunkten zugrunde lagen. Eine hinreichend gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment konnte für eine gekappte tetragonale Pyramide mit [100]-Basiskanten und {101}-Seitenflächen festgestellt werden. Zum Verständnis der Beugungskontrastmuster trugen zusätzliche Simulationsrechnungen mittels der Methode der finiten Elemente bei. Die elastische Verspannung im Bereich eines einzelnen Quantenpunktes wurde für unterschiedliche Netzebenenscharen und damit für bestimmte Beugungsbedingungen berechnet. Die experimentell erhaltenen Beugungskontrastmuster konnten auf diese Weise sehr gut verifiziert werden. / Low-dimensional structures (2-dimensional layers and 0-dimensional quantum dots) of II-VI compound semiconductors were investigated using transmission electron microscopy (TEM). The samples were grown by molecular beam epitaxy on (001)-oriented GaAs substrates. 2-dimensional layers of (Zn,Cd)Se/ZnSe were investigated with respect to the thermal stability of the interfaces. Special attention was paid to the diffusion process as a function of the density of dislocations caused by the lattice mismatch. These misfit dislocations were characterised using TEM diffraction contrast imaging as well high resolution TEM. No dislocations were observed for a thickness of 30 nm being below the critical one for initialising of plastical relaxation. Merely elastical relaxation, i.e., lattice distortion without formation of dislocations took place in the growing material. Whereas, dislocations were found for layer thicknesses above the critical one (100 and 300 nm). The dislocation density exhibited a dependence on the layer thickness as well as on the elastical properties of the material deposited. Profiles of the Cd composition were received for these (Zn,Cd)Se layers using energy dispersive x-ray spectroscopy after different heat treatment. The composition profiles were fitted by means of a temperature dependent diffusion coefficient. For a fixed temperature the diffusion coefficient was found being independent on the layer thickness, i.e., independent on the density of misfit dislocations. The coefficients amount to about 5*10^-19 cm^2/s for 320 °C and to about 5*10^-17 cm^2/s for 400 °C. The zero-dimensional CdSe/ZnSe quantum dots (QDs) form via a self-organisation process induced by the lattice mismatch of about 7 %. Only the topmost of three CdSe monolayers redistributes into QD structures. TEM investigations of these structures were carried out in plan view as well as in cross section. CdSe QDs formed on a 25 nm thick ZnSe buffer layer. Additionally, unwanted dislocations and stacking faults were revealed. Obviously, the buffer layer grew pseudomorphically and plastical relaxation was realised in the QD structure. Whereas, no defects were detected in QD structures grown on an 1 µm thick ZnSe buffer, where the plastical relaxation occurs at the ZnSe/GaAs interface. The height of the QDs amounted to about 2 to 3 nm. Their lateral expansion varied between 5 and 50 nm. Two classes of diffraction contrast features of the individual QD were divided with respect to their inner pattern. The smaller features with no details visible showed a size distribution of 5 to 10 nm and exhibit an area density of about 1*10^10 cm^-2. Whereas, an area density of about 2*10^9 cm^-2 was found for features having a size between 10 and 50 nm with a visible inner pattern. These diffraction contrast features were compared with simulated ones for different shapes of the QDs. The best agreement was noticed for a truncated tetragonal pyramid with [100] edges of the basal plane and with {101} facets. Additionally, the diffraction contrast features of single QDs were verified by finite element calculations. Specific diffraction conditions were considered utilising the components of the elastic strain of the respective lattice planes.

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.

Während über hexagonales (alpha) GaN zum ersten Mal 1932 berichtet wurde, gelang erst 1989 die Synthese einer mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf 3C-SiC epitaktisch gewachsenen, metastabilen kubischen (eta) GaN Schicht. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung der Verbindungen eta-(In,Ga,Al)N mittels RF-Plasma unterstützter MBE auf GaAs(001) und den mikrostrukturellen sowie optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems. Im Vergleich zur hexagonalen bietet die kubische Kristallstruktur auf Grund ihrer höheren Symmetrie potentielle Vorteile für die Anwendung in optischen und elektronischen Bauelementen. Viele wichtige Materialgrößen der kubischen Nitride sind jedoch noch gänzlich unbekannt, da sich die Synthese einkristalliner Schichten als sehr schwierig erweist. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher erstens, die technologischen Grenzen der Herstellung von bauelementrelevanten kubischen (In,Ga,Al)N Heterostrukturen auszuweiten und zweitens, einen Beitrag zur Aufklärung der bis dato wenig bekannten optischen und elektronischen Eigenschaften des GaN und der Mischkristalle In GaN zu leisten. Zunächst wird ein optimierter MBE Prozess unter Einsatz einer Plasmaquelle hohen Stickstofflusses vorgestellt, welcher nicht nur die reproduzierbare Epitaxie glatter, einphasiger GaN Nukleationsschichten auf GaAs ermöglicht. Vielmehr können damit auch dicke GaN. Schichten mit glatter Oberflächenmorphologie hergestellt werden, welche die Grundlage komplizierterer eta-(In,Ga,Al)N Strukturen bilden. An einer solchen GaN Schicht mit einer mittleren Rauhigkeit von nur 1.5 nm werden dann temperaturabhängige Reflexions- und Transmissionsmessungen durchgeführt. Zur Auswertung der Daten wird ein numerisches Verfahren entwickelt, welches die Berechnung des kompletten Satzes von optischen Konstanten im Spektralgebiet 2.0 = 0.4 wären grün-gelbe Laserdioden. Zusammenfassung in PostScript / While the earliest report on wurtzite (alpha) GaN dates back to 1932, it was not until 1989 that the first epitaxial layer of metastable zincblende (eta) GaN has been synthesized by molecular beam epitaxy (MBE) on a 3C-SiC substrate. The present work focuses on radio frequency (RF) plasma-assisted MBE growth, microstructure, and optical properties of the eta-(In,Ga,Al)N material system on GaAs(001). Due to their higher crystal symmetry, these cubic nitrides are expected to be intrinsically superior for (opto-) electronic applications than the widely employed wurtzite counterparts. Owing to the difficulties of obtaining single-phase crystals, many important material constants are essentially unknown for the cubic nitrides. The aim of this work is therefore, first, to push the technological limits of synthesizing device-relevant zincblende (In,Ga,Al)N heterostructures and, second, to determine the basic optical and electronic properties of GaN as well as to investigate the hardly explored alloy InGaN. An optimized MBE growth process is presented which allows not only the reproducible nucleation of smooth, monocrystalline GaN layers on GaAs using a high-nitrogen-flow RF plasma source. In particular, thick single-phase GaN layers with smooth surface morphology are obtained being a prerequisite for the synthesis of ternary eta-(Ga,In,Al)N structures. Temperature dependent reflectance and transmittance measurements are carried out on such a GaN film having a RMS surface roughness as little as 1.5 nm. A numerical method is developed which allows to extract from these data the complete set of optical constants for photon energies covering the transparent as well as the strongly absorbing spectral range (2.0 -- 3.8 eV). Inhomogeneities in the refractive index leading to finite coherence effects are quantitatively analyzed by means of Monte Carlo simulations. The fundamental band gap EG(T) of GaN is determined for 5 < T < 300 K and the room temperature density of states is investigated. Systematic studies of the band edge photoluminescence (PL) in terms of transition energies, lineshapes, linewidths, and intensities are carried out for both alpha- and GaN as a function of temperature. Average phonon energies and coupling constants, activation energies for thermal broadening and quenching are determined. Excitation density dependent PL measurements are carried out for both phases in order to study the impact of nonradiative recombination processes at 300 K. A recombination model is applied to estimate the internal quantum efficiency, the (non)radiative lifetimes, as well as the ratio of the electron to hole capture coefficients for both polytypes. It is seen that the dominant nonradiative centers in the n-type material investigated act as hole traps which, however, can be saturated at already modest carrier injection rates. In summary, despite large defect densities in GaN due to highly mismatched heteroepitaxy on GaAs, band edge luminescence is observed up to 500 K with intensities comparable to those of state-of-the-art alpha-GaN. For the first time, thick InGaN films are fabricated on which blue and green luminescence can be observed up to 400 K for x=0.17 and x=0.4, respectively. Apart from bulk-like InGaN films, the first coherently strained InGaN/GaN (multi) quantum wells with In contents as high as 50 % and abrupt interfaces are grown. This achievement shows that a ternary alloy can be synthesized in a metastable crystal structure far beyond the miscibility limit of its binary constituents despite the handicap of highly lattice mismatched heteroepitaxy. The well widths of these structures range between 4 and 7 nm and are thus beyond the theoretically expected critical thickness for the strain values observed. It is to be expected that even higher In contents can be reached for film thicknesses below 5 nm. The potential application of such InGaN/GaN multi quantum wells with x >= 0.4 would thus be diode lasers operating in the green-yellow range. abstract in PostScript

Die Synthese von AlN/GaN- und (Al,In)N/GaN-Braggreflektoren wird untersucht. Die Strukturen wurden mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC(0001)-Substraten abgeschieden. Ferner wurde der Einfluß der Si-Dotierung auf die Oberflächenmorphologie sowie die strukturellen und elektrischen Eigenschaften der AlN/GaN-Braggreflektoren untersucht. Es wurden rißfreie Braggreflektoren mit einer hohen Reflektivität (R>99%) und einem bei 450 nm zentrierten Stopband erhalten. Die Si-dotierten Strukturen weisen eine ohmsche I-V-Charakteristik im gesamten Meßbereich sowie einen spezifischen Widerstand von 2-4 mOhmcm2 auf. Die Ergebnisse der (Al,In)N-Wachstumsversuche wurden in einem Phasendiagramm zusammengefaßt, welches den optimalen Parameterraum für (Al,In)N klar aufzeigt. / We study the synthesis of AlN/GaN and (Al,In)N/GaN Bragg reflectors. The structures were grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE) on 6H-SiC(0001) substrates. In addition, we study the impact of Si-doping on the surface morphology and the structural and electrical properties of the AlN/GaN Bragg reflectors. Crack-free and high-reflectance (R>99%) Bragg reflectors were achieved with a stopband centered at 450 nm. The Si-doped structures exhibit ohmic I-V behavior in the entire measurement range. The specific series resistance is 2-4 mOhmcm2. The results of the (Al,In)N growth experiments are summarized in a phase diagram which clearly shows the optimum growth window for (Al,In)N.

Dichte Ensembles aus GaN-Nanodrähten können in der Molekularstrahlepitaxie mithilfe eines selbstinduzierten Prozesses sowohl auf kristallinen als auch amorphen Substraten gezüchtet werden. Aufgrund der Natur selbstgesteuerter Prozesse ist dabei die Kontrolle über viele wichtige Ensembleparameter jedoch eingeschränkt. Die Arbeit adressiert genau diese Einschränkungen bei der Kristallzucht selbstinduzierter GaN-Nanodrähte. Konkret sind das Limitierungen bezüglich der Nanodraht-Durchmesser, die Nanodraht-Anzahl-/Flächendichte, der Koaleszenzgrad sowie die maximal realisierbare Wachstumstemperatur. Für jede dieser Einschränkungen werden Lösungen präsentiert, um die jeweilige Limitierung zu umgehen oder zu verschieben. Als Resultat wurde eine neue Klasse von GaN Nanodrähten mit bisher unerreichten strukturellen und optischen Eigenschaften geschaffen. Mithilfe eines Zwei-Schritt-Ansatzes, bei dem die Wachstumstemperatur während der Nukleationsphase erhöht wurde, konnte eine verbesserte Kontrolle über die Flächendichte, den Durchmesser und den Koaleszenzgrad der GaN-Nanodraht-Ensembles erreicht werden. Darüber hinaus werden Ansätze präsentiert, um die außerordentlich lange Inkubationszeit bei hohen Wachstumstemperaturen zu minimieren und damit wesentlich höhere Wachstumstemperaturen zu ermöglichen (bis zu 905°C). Die resulierenden GaN-Nanodraht-Ensembles weisen schmale exzitonische Übergänge mit sub-meV Linienbreiten auf, vergleichbar zu denen freistehender GaN-Schichten. Abschließend wurden Nanodrähte mit Durchmessern deutlich unterhalb von 10 nm fabriziert. Mithilfe eines Zersetzungsschrittes im Ultrahochvakuum direkt im Anschluss an die Wachstumsphase wurden reguläre Nanodraht-Ensembles verdünnt. Die resultierenden ultradünnen Nanodrähte weisen dielektrisches Confinement auf. Wir zeigen eine ausgeprägte exzitonische Emission von puren GaN-Nanodrähten mit Durchmessern bis hinab zu 6 nm. / In molecular beam epitaxy, dense arrays of GaN nanowires form spontaneously on crystalline as well as amorphous substrates. Due to the nature of spontaneous formation, the control over important parameters is limited. This thesis addresses the major limitations of spontaneous nanowire formation, namely the nanowire diameter, number density, and coalescence degree but also the maximum achievable growth temperature, and presents approaches to overcome the same. Thereby, we have fabricated a new class of nanowires with unprecedented structural and optical properties. We find that a two-step growth approach, where the substrate temperature is increased during the nucleation stage, is an efficient method to gain control over the area coverage, average diameter, and coalescence degree of GaN nanowire ensembles. Furthermore, we present growth approaches to minimize the long incubation time that precedes nanowire nucleation at elevated temperatures and to thus facilitate significantly higher growth temperatures (up to 905°C). The GaN nanowire ensembles grown at so far unexplored substrate temperatures exhibit excitonic transitions with sub-meV linewidths comparable to those of state-of-the-art free-standing GaN layers grown by hydride vapor phase epitaxy. Finally, we fabricate nanowires with diameters well below 10 nm, the lower boundary given by the nucleation mechanism of spontaneously formed nanowires. Here, regular nanowire arrays are thinned in a post-growth decomposition step in ultra-high vacuum. In situ monitoring the progress of decomposition using quadrupole mass spectrometry enables a precise control over the diameter of the thinned nanowires. These ultrathin nanowires show dielectric confinement, which is potentially much stronger than quantum confinement. We demonstrate intense excitonic emission from bare GaN nanowires with diameters down to 6 nm.