Ce mémoire présente une étude de la synthèse par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) de nanofils de silicium et de germanium par Epitaxie par Jets Moléculaires ainsi que de l'effet de la présence de manganèse sur leur croissance. La croissance des nanofils est fortement modifiée par la présence de manganèse. Les nanofils de silicium élaborés sous un faible flux de manganèse présentent des propriétés morphologiques et structurales remarquables. La présence de manganèse modifie le diamètre d'équilibre des gouttes AuSi utilisées pour la croissance par voie VLS et permet l'élaboration de nanofils de silicium de longueurs élevées et de faibles diamètres. De plus, leur qualité cristalline est considérablement améliorée par rapport aux nanofils de silicium formés sans apport de manganèse. Dans ce mémoire nous proposons quelques explications à ce phénomène. Dans le cas des nanofils de germanium, l'incorporation de manganèse n'a pu être obtenue par codépôt. Aussi, (i) le dopage par implantation ionique de nanofils de germanium et (ii) la fonctionnalisation de nanofils de germanium par la formation d'hétérostructures type cœur/coquille Ge/GeMn ont été considérés : - les mesures d'aimantation effectuées sur des nanofils de germanium implantés au manganèse démontrent l'existence de propriétés ferromagnétiques avec des températures de Curie supérieures à 400K. Il s'agit d'un résultat très prometteur en vue d'applications utilisant des nanofils de germanium ferromagnétiques à température ambiante ; - pour accéder aux propriétés magnétiques des nanofils de germanium fonctionnalisés par dépôt de GeMn, nous avons mis au point une procédure de prises de contacts adaptée à la mesure de leurs propriétés de magnétotransport. Les caractéristiques électriques de ces dispositifs montrent que les propriétés de transport sont dominées par la présence de la couche coquille de GeMn, surtout à basse température. Des mesures de magnétotransport effectuées à 100K indiquent l'existence d'effets de magnétorésistance liés aux propriétés ferromagnétiques des nanofils de Ge ainsi fonctionnalisés. / This thesis presents a study of the Vapour-Liquid-Solid (VLS) synthesis of silicon and germanium nanowires by Molecular Beam Epitaxy and the effect of the presence of manganese on the growth properties. The presence of manganese strongly modifies the growth of nanowires and observed behaviours are very different for AuSi and AuGe systems. Silicon nanowires grown in the presence of manganese exhibit very interesting morphological and structural properties. The presence of manganese modifies AuSi droplets' diameter and allows manufacturing long nanowires with relatively small diameters. Moreover, the crystalline quality is dramatically improved as compared to that of silicon nanowires grown without manganese. In this manuscript we propose some explanation for the growth phenomena. In the case of germanium nanowires, manganese incorporation could not be obtained by concomitant deposition of germanium and manganese. Consequently, (i) the doping of germanium nanowires by ion implantation as well as (ii) germanium nanowires functionalization by core/shell Ge/GeMn heterostructures formation were considered: - magnetization measurements performed on implanted germanium nanowires demonstrate ferromagnetic properties with Curie temperatures above 400K. This result is very promising for the processing of devices using room-temperature ferromagnetic germanium nanowires ; - in order to access Ge/GeMn nanowires magnetic properties, we processed samples to probe nanowires magnetotransport properties. Electrical resistivities of devices show that transport properties are dominated by GeMn shell layer even more at low temperature. Magnetotransport measurements done at 100K indicate magnetoresistance effects linked with nanowires ferromagnetic properties.

In dieser Arbeit wird das direkte Wachstum von Graphen auf isolierenden Substraten untersucht. Die hergestellten Schichten werden mittels verschiedener Methoden untersucht, unter anderem Rasterkraftmikroskopie, Ramanspektroskopie und Synchrotron-Röontgendiffraktometrie. Zwei verschiedene Synthetisierungsmethoden kommen hierbei zur Anwendung. Zuerst wird das Wachstum von epitaktischem Graphen mittels thermischer Zersetzung von hexagonalen Siliciumcarbid-Oberflächen vorgestellt. Ein Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf den Stufen, welche auf der Substratoberfläche vorhanden sind. Wir zeigen, dass die initiale Oberflächenkonfiguration keinen unmittelbaren Einfluss auf den Wachstumsprozess und die entstehenden Graphenschichten besitzt. Die Stufen beeinflussen jedoch die elektrischen Transporteigenschaften im Quanten-Hall-Regime. Dieses Phänomen wird genauer untersucht und durch ein schematisches Modell erklärt. Die Struktur der epitaktischen Graphenschichten wird analysiert, inklusive präzieser Messungen der Gitterkonstanten. Anschließend werden Untersuchungen über das Wachstum von EG auf Kohlenstoff-terminierten SiC-Oberflächen vorgestellt und diskutiert. Als zweite Herstellungsmethode wird Molekularstrahlepitaxie verwendet. Wir demonstrieren Wachstum von Graphen auf zwei verschiedenen Substraten. Die Abhängigkeit der Morphologie und der strukturellen Qualität der Proben von den Wachstumsbedingungen wird untersucht. Wir zeigen, dass die Graphenschichten aus nanokristallinen Domänen bestehen, deren laterale Abmessungen 30 nm überschreiten. Die strukturelle Qualität der Graphenschichten nimmt mit zunehmender Substrattemperatur zu. Schließlich wird gezeigt, dass die Graphendomänen eine epitaktische Beziehung zu ihrem jeweiligen Substrat besitzen und dass eine beobachtete Reduzierung der Gitterparameter durch die Existenz von Punktdefekten zu erklären ist. / This thesis presents an investigation of graphene growth directly on insulating substrates. The graphene films are characterized using different techniques, including atomic force microscopy, Raman spectroscopy, and grazing-incidence X-ray diffraction. These allowed insight into the morphological, structural, and electrical properties of the graphene layers. Two different preparation methods were employed. The growth of epitaxial graphene on SiC(0001) by surface Si depletion is presented first. An important parameter in this type of growth is the surface steps present on the SiC substrate. We show that the initial SiC surface step configuration has little influence on the growth process, and the resulting graphene layers. The surface steps do impact the magneto-transport properties of graphene on SiC, which is investigated closely and can be explained by a schematic model. The structure of the epitaxial graphene layers is also analyzed, including precise measurements of the lattice constants. Additionally, the growth of graphene on the C-face of SiC is investigated. Graphene films were also synthesized directly on insulating substrates using molecular beam epitaxy. With the accurate deposition rates and sub-monolayer thickness control, MBE allows for fundamental studies of the growth process. We demonstrate graphene growth on two different substrates. The dependence of the morphology and structural quality of the graphene samples on the growth parameters is evaluated and discussed. We find that graphene films grown by MBE consist of nanocrystalline graphene domains with lateral dimensions exceeding 30 nm. The structural quality of the graphene layers improves with increasing substrate temperature during growth. Finally, we show that the nanocrystalline domains of the graphene films possess an epitaxial relation to either substrate, and attribute an observed contraction of the graphene lattice constant to the presence of point-defects within the film.

Im Rahmen der Dissertation wurden molekularstrahlepitaktische Verfahren zur Züchtung von Hetero-und Quantenstrukturen auf der Basis der Gruppe II-Oxide entwickelt. Insbesondere wurde ein Wachstumsregime weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht etabliert, welches die Mischung von CdO und MgO mit ZnO in phasenreiner Wurtzitstruktur ermöglicht, wobei die Gleichgewichtslöslichkeitsgrenzen dramatisch überschritten werden. In den Mischkristallen kann die Bandlücke kontinuierlich von 2.2 bis 4.4 eV eingestellt werden. Das Wachstum verläuft in einem zweidimensionalen Modus und resultiert in atomar glatten Ober- und Grenzflächen. Ausgeprägte RHEED- Intensitätsoszillationen erlauben die atomlagengenaue Kontrolle der Schichtdicken und somit die Realisierung wohl-defi- nierter Einzel- und Mehrfachquantengrabenstrukturen. Diese zeichnen sich durch eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute im gesamten sichtbaren Spektralbereich aus. Laseraktivität kann vom UV bis zum grünen Wellenlängenbereich bei Zimmertemperatur erzielt werden. Das Potenzial dieser Quantenstrukturen in Hinblick auf ihre Anwendung in opto-elektronischen Bauelementen wird diskutiert. / This work focuses on the development of the novel growth approaches for the fabrication of Group II-oxide materials in the form of epitaxial films and heterostructures. It is shown that molecular-beam epitaxial growth far from thermal equilibrium allows one to overcome the standard solubility limit and to alloy ZnO with MgO or CdO in strict wurtzite phase up to mole fractions of several 10 %. In this way, a band-gap range from 2.2 to 4.4 eV can be covered. A clear layerby- layer growth mode controlled by oscillations in reflection high-energy electron diffraction makes it possible to fabricate atomically smooth heterointerfaces and well-defined quantum well structures exhibiting prominent band-gap related light emission in the whole composition range. On appropriately designed structures, laser action from the ultraviolet down to green wavelengths and up to room temperature is achieved. The properties and potential of the "state-of-the-art" materials are discussed in relation to the advantages for their applications in various optoelectronic devices.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen (Al,Ga,In)N-Heterostrukturen mittels plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie. Die Proben werden entlang der polaren [0001]-Richtung und der unpolaren [1100]-Richtung auf SiC(0001)- bzw. g-LiAlO2(100)-Substraten gewachsen. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen, vibronischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer Fehlpassungen und elektrischen Polarisationsfelder aus. Eine Einführung in diese beiden wichtigen Eigenschaften wird gegeben, insbesondere für [0001]- und [1100]-orientierte Schichten. Um Verspannungen und elektrische Polarisationsfelder in korrekter Art und Weise zu berücksichtigen, wird ein effizientes Modell zur dynamischen Simulation von Röntgenbeugungsprofilen formuliert und auf hexagonale sowie kubische Kristalle angewandt. Die Synthese von GaN-Pufferschichten auf SiC(0001)- und g-LiAlO2(100)-Substraten wird diskutiert. Das GaN-Wachstum auf SiC(0001) erfolgt entlang der üblichen polaren [0001]-Richtung. Ein neuartiger Freiheitsgrad der GaN-Epitaxie wird durch das Wachstum von GaN entlang der unpolaren [1100]-Richtung auf g-LiAlO2(100) erreicht. Eine in-situ Strategie zur reproduzierbaren Abscheidung von GaN-Pufferschichten wird erarbeitet, die auf der Kontrolle der Wachstumsparameter durch Beugung von hochenergetischen Elektronen beruht. Die Schichten sind einphasig innerhalb der Nachweisgrenze von Röntgenbeugung und zeichnen sich durch glatte Oberflächen aus, die für das weitere Wachstum von Heterostrukturen gut geeignet sind. Es wird gezeigt, daß die strukturellen Eigenschaften der Pufferschichten sehr stark von der Substratpräparation abhängen. Ausgezeichnete strukturelle Eigenschaften werden auf sauberen und glatten SiC(0001)-Substraten erzielt, wogegen GaN(1100)-Filme unter der schlechteren Oberflächenqualität der g-LiAlO2(100)-Substrate leiden. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwells (MQWs) mit identischer Schichtfolge werden auf den beiden Sorten von GaN-Pufferschichten gewachsen. Wegen der verschiedenen Orientierungen der polaren c-Achse relativ zur Wachstumsrichtung treten in der Rekombination von Ladungsträgern erhebliche Unterschiede auf. Es wird gezeigt, daß in [1100]-orientieren Wells Flachbandbedingungen herrschen. Im Gegensatz dazu existieren starke elektrostatische Felder in [0001]-orientierten Wells. Daher ist die Übergangsenergie von [0001]-orientierten Wells rotverschoben relativ zur Übergangsenergie der [1100]-orientierten Wells. Weiterhin besitzen die [0001]-orientierten Wells sehr viel längere Zerfallszeiten in der Photolumineszenz (PL). Beide Ergebnisse sind in quantitativer Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, die auf selbstkonsistenten Berechnungen von Bandprofilen und Wellenfunktionen mittels der Poisson- und Schrödingergleichungen in der Effektivmassen-Näherung basieren. Die Emission der [0001]-orientierten Wells ist isotrop, während die Emission der [1100]-orientierten Wells stark (>90%) senkrecht zur [0001]-Richtung polarisiert ist. Diese Ergebnisse sind in sehr guter Übereinstimmung mit den unterschiedlichen Valenzbandstrukturen der Wells. Das Wachstum von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird untersucht. Massive Oberflächensegregation von In wird mit Beugung hochenergetischer Elektronen, Sekundärionenmassenspektrometrie, Röntgenbeugung und PL nachgewiesen. Rechteckige In-Profile belegen einen Segregationsmechanismus nullter Ordnung und nicht (wie bei anderen Materialsystemen beobachtet) einen erster Ordnung. Diese In-Segregation während des metallstabilen Wachstums resultiert in MQWs mit geringem Überlapp der Elektronen- und Lochwellenfunktionen, weil die Wells sehr viel dicker als beabsichtigt sind. Eine Verminderung der In-Segregation ist möglich durch N-stabiles Wachstum, führt jedoch zu rauhen Grenzflächen. Eine Strategie zum Wachstum von MQWs mit glatten Grenzflächen und hohen Quanteneffizienzen wird vorgestellt. Die strahlende Rekombination von (In,Ga)N/GaN-MQWs wird diskutiert. Es wird gezeigt, daß sowohl Zusammensetzungsfluktuationen als auch elektrostatische Felder für ein eingehendes Verständnis der Rekombination berücksichtigt werden müssen. Die Temperaturabhängigkeit der strahlenden Lebensdauer wird gemessen, um die Dimensionalität des Systems aufzuklären. Für ein quantitatives Verständnis wird ein Ratengleichungsmodell zur Analyse der Daten benutzt. Bei niedrigen Temperaturen wird die Rekombination von lokalisierten Zustände geprägt, wohingegen ausgedehnte Zustände bei höheren Tenmperaturen dominieren. Diese Analyse zeigt, daß die Lokalisierungstiefe in diesen Strukturen unterhalb von 25 meV liegt. / In this work, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga,In)N heterostructures by plasma-assisted molecular beam epitaxy. The layers are grown along the polar [0001] and the non-polar [1100] direction on SiC(0001) and g-LiAlO2(100) substrates, respectively. We examine the impact of deposition conditions on the structural, morphological, optical, vibrational and electrical properties of the films. An introduction is given to the most important properties of wurtzite nitride semiconductors: strain and electrical polarization fields of a magnitude not found in other III-V semiconductors. Particular emphasis is paid on [0001] and [1100] oriented layers. In order to correctly account for these phenomena in the samples under investigation, an efficient model for the dynamical simulation of x-ray diffraction (XRD) profiles is formulated and presented for wurtzite and zincblende crystals. The deposition of GaN buffer layers on two substrates, SiC(0001) and g-LiAlO2(100), is discussed. The conventional polar [0001] direction is obtained on SiC(0001) substrates. A new degree of freedom for GaN epitaxy is demonstrated by the growth of GaN along a non-polar direction, namely, [1100] on g-LiAlO2(100). An in-situ strategy for the reproducible growth of these GaN buffers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The films are single-phase within the detection limit of high-resolution XRD and exhibit smooth surface morphologies well suited for subsequent growth of heterostructures. The structural properties of these samples are shown to be very sensitive to substrate preparation before growth. Smooth and clean SiC(0001) substrates result in excellent structural properties of GaN(0001) layers whereas GaN(1100) films still suffer from the inferior morphological and chemical quality of g-LiAlO2(100) substrates. Identically designed GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) are deposited on these two types of buffer layers. Significant differences in recombination due to the different orientations of the polar c-axis with respect to the growth direction are detected in photoluminescence (PL). It is demonstrated that flat-band conditions are established in [1100] oriented wells whereas strong electrostatic fields have to be taken into account for the [0001] oriented wells. Consequently, the transition energy of the [0001] oriented wells is red-shifted with respect to the [1100] oriented wells. Furthermore, [0001] oriented wells exhibit significantly prolonged PL decay times. These results are in quantitative agreement with theoretical predictions based on self-consistent effective-mass Schrödinger-Poisson calculations of the band profiles and wave functions. Finally, while the emission from [0001] oriented wells is isotropic, the emission from [1100] oriented wells is strongly polarized (>90%) normal to the [0001] axis in sound agreement with the different valence band structures of the wells. The growth of (In,Ga)N/GaN MQWs is studied. Massive In surface segregation (evidenced by RHEED, XRD, secondary-ion mass-spectrometry and PL) is shown to result in top-hat profiles and is therefore a zeroth order process instead of a first order process as observed for other materials systems. In segregation during metal-stable growth results in quantum wells with poor electron-hole wavefunction overlap since the actual well width is much larger than the intended one. Reduction of In segregation by N-stable conditions is possible but inevitably delivers rough interfaces. A strategy for obtaining (In,Ga)N/GaN MQWs with smooth interfaces and high quantum efficiency is devised. The radiative recombination from (In,Ga)N/GaN MQWs is examined. It is demonstrated that both compositional fluctuations and electrostatic fields have to be taken into account for a thorough understanding of the emission from these structures. The temperature dependence of the radiative decay time is measured to probe the dimensionality of the system. For a quantitative understanding, a rate-equation model is utilized for analyzing the data. For low temperatures, recombination is governed by localized states whereas for high temperatures extended states dominate. This analysis shows that the localization depth in these structures is below 25 meV.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und Untersuchung magnetischer MnAs-Schichten auf halbleitenden GaAs-Substraten. Die einkristallinen MnAs-Schichten wurden unter Verwendung der Molekularstrahlepitaxie auf GaAs abgeschieden. Die detaillierte Darstellung des MnAs-Wachstums beschreibt den Einfluß der Herstellungsbedingungen auf die strukturelle Qualität. Eine systematische Analyse der MnAs-Oberflächenstruktur resultiert in einem Phasendiagramm der Rekonstruktionen. Die Keimbildung von MnAs während des Wachstums der ersten Monolagen wird anhand der Ergebnisse einer in-situ-Analyse diskutiert. Dabei kamen komplementär die Reflexionselektronenbeugung und die Reflexionsdifferenzspektroskopie zum Einsatz. Die strukturellen Eigenschaften der MnAs-Schichten wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Eingehende Studien der Grenzfläche zeigen zwei richtungsabhängige Mechanismen des Abbaus der Gitterfehlpassung in dem Heteroepitaxiesystem MnAs/GaAs. Die Diskussion der magnetischen Eigenschaften erfolgte sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Skala. Die durch Magnetometrie erhaltenen Resultate liefern wichtige Erkenntnisse zum Magnetismus dünner Schichten. Untersuchungen der magnetischen Domänen in MnAs mittels magnetischer Kraftmikroskopie zeigen das komplizierte Wechselspiel zwischen Oberflächentopographie und magnetischer Struktur. Die Abbildung der magnetischen Domänen als Funktion des angelegten magnetischen Feldes gibt Aufschluß über das Magnetisierungsverhalten auf mikroskopischer Skala. / This work investigates the growth and characterization of magnetic MnAs layers on semi-insulating GaAs substrates. The single-crystalline MnAs layers are deposited on GaAs by molecular beam epitaxt. A detailed analysis of the MnAs growth reveals the influence of the growth conditions on the structural quality of the layers. A phase diagram showing four stoichiometry dependent reconstructions is obtained by a systematic analysis of the MnAs surface structure. The nucleation of MnAs during growth of the first monolayers is examined by in-situ reflection electron diffraction and reflectance difference spectroscopy measurements. The structural properties of the MnAs layers are analyzed by transmission electron microscopy. It is found that the lattice mismatch is accommodated at the MnAs/GaAs interface by a coincidence lattice along one direction and by misfit dislocation along the perpendicular direction. The discussion of the magnetic properties covers the macroscopic as well as the microscopic scales. Magnetometry results provide important knowledge about thin film magnetism in MnAs layers. Extensive magnetic force microscopy investigations of the magnetic domains in MnAs illustrate the complicated relationship between surface topography and magnetic structure. Imaging of magnetic domains as a function of the applied magnetic field gives new insights on magnetization behavior on a microscopic scale. The MnAs phase transition at 43° C is investigated by combined X-ray diffraction and magnetization measurements. The MnAs structure changes from the ferromagnetic to the paramagnetic state, accompanied by a crystal structure change from hexagonal to orthorhombic. A detailed analysis of the phase transition provides important information concerning crystal growth and allows optimization of the fabrication conditions.

Das Thema dieser Dissertation ist das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Ga(As,N) und (In,Ga)(As,N). Die Arbeit beginnt mit der Optimierung des Wachstums von Ga(As,N). Aufgrund der hohen Mischbarkeitslücke von GaN in GaAs verursacht der Einbau von Stickstoff in GaAs eine strukturelle Degradation, die von der Substrattemperatur, der Stickstoffkonzentration und der Quantentopfdicke abhängt. Ein weiteres Problem bezüglich des Wachstums von Ga(As,N) sind Punktdefekte, die einen schädlichen Einfluß auf optische Eigenschaften haben. Eine thermische Behandlung verringert die Konzentration dieser Punktdefekte. Dies geht mit einer Steigerung der Photolumineszenz-Intensität einher. Punktdefekte sind zum Beispiel Stickstoff-Dimere, die sich in Gallium- oder Arsen-Vakanzen einbauen. Eine thermische Behandlung bei hohen Temperaturen bewirkt jedoch eine strukturelle Degradation im Ga(As,N)-Materialsystem, die sich in einer Abnahme der Photolumineszenz-Intensität manifestiert. Es wird gezeigt, daß die Temperatur der thermischen Behandlung, die die höchste Photolumineszenz-Ausbeute erzielt, von der Stickstoffkonzentration abhängt. Bezüglich des Wachstums von (In,Ga)(As,N) verursacht die Mischbarkeitslücke von (In,Ga)N in (In,Ga)As ebenfalls eine strukturelle Degradation. Auch im quaternären Materialsystem ist eine thermische Behandlung essentiell für die Verbesserung optischer Eigenschaften. Es wird außerdem gezeigt, daß die thermische Behandlung von (In,Ga)As eine Indiumdiffusion verursacht, die durch den Einbau von Stickstoff gestoppt wird. Die Charakterisierung von (In,Ga)(As,N) kantenemittierenden Lasern zeigt Emissionen bei Wellenlängen bis zu 1366 nm. Mit dem Einbau von Stickstoff ist ein Anstieg der Schwellstromdichte und ein Abfall der Emissionsleistung verbunden. / This dissertation deals with the MBE growth and characterization of Ga(As,N) and (In,Ga)(As,N). The work commences with the optimization of the Ga(As,N) growth. Owing to a large miscibility gap of GaN in GaAs, the incorporation of nitrogen into GaAs causes a structural degradation that is dependent on the substrate temperature, the nitrogen concentration, and the quantum well thickness. Another problem related to the growth of Ga(As,N) are point defects that have a detrimental influence on optical properties. A thermal treatment of Ga(As,N) reduces the concentration of these point defects. This leads to a substantial improvement of optical properties. We will show that nitrogen split interstitials that incorporate into gallium and arsenic vacancies may be attributed to these point defects. A thermal treatment of Ga(As,N) at high temperatures, on the contrary, results in a creation of extended defects which are detrimental to optical properties. We will show that the temperature of the thermal treatment that yields the highest photoluminescence intensity is nitrogen concentration-dependent. The growth of (In,Ga)(As,N) is similar with respect to Ga(As,N). Again, one has to face a high miscibility gap of (In,Ga)N in (In,Ga)As that results in a structural degradation. A thermal treatment of (In,Ga)(As,N) is also beneficial for improving optical properties. We will show that a thermal treatment of (In,Ga)As results in an indium diffusion that is suppressed by the incorporation of nitrogen. The characterization of (In,Ga)(As,N) edge emitting lasers shows emission at wavelengths up to 1366 nm. With higher nitrogen concentrations, there is a strong increase of the threshold current density and a decrease of the output power.

Efficiency droop is a critical issue for the Group III-nitride based light-emitting diodes (LEDs) to be competitive in the general lighting application. Carrier spill-over have been suggested as an origin of the efficiency droop, and an InAlN electron-blocking layer (EBL) is suggested as a replacement of the conventional AlGaN EBL for improved performance of LED. Optimum growth condition of InAlN layer was developed, and high quality InAlN layer was grown by using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). A LED structure employing an InAlN EBL was grown and its efficiency droop performance was compared with a LED with an AlGaN EBL. Characterization results suggested that the InAlN EBL delivers more effective electron blocking over AlGaN EBL. Hole-injection performance of the InAlN EBL was examined by growing and testing a series of LEDs with different InAlN EBL thickness. Analysis results by using extended quantum efficiency model shows that further improvement in the performance of LED requires better hole-injection performance of the InAlN EBL. Advanced EBL structures such as strain-engineered InAlN EBL and compositionally-graded InAlN EBLs for the delivery of higher hole-injection efficiency were also grown and tested.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum der planaren aromatischen Moleküle Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf verschiedenen einkristallinen Oberflächen von Gold und Graphit untersucht. Zur Abscheidung der Moleküle und zur Herstellung dünner hochgeordnerter organischer Schichten wurde eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit mehreren Kammern aufgebaut. Bei den Untersuchungen des Wachstums von PTCDA auf der Au(111)- und Au(100)-Fläche wurden drei Klassen von Strukturen gefunden: Eine Fischgrätenstruktur, deren Gitterparameter und molekulare Anordnung der (102)-Ebene des PTCDA-Kristalls entsprechen, eine quadratische Struktur, sowie eine Stabstruktur, die der (010)-Ebene des PTCDA-Kristalls zugeordnet werden kann. Während die Stabstruktur auf Au(100) ein inkommensurables Wachstum zeigt, konnten alle anderen PTCDA-Strukturen sowohl auf Au(111) als auch auf Au(100) als point-on-line epitaktisch klassifiziert werden. Die HBC-Schichten auf Au(111), Au(100)hex und Graphit zeigen abweichend von der Kristallstruktur eine hexagonale Symmetrie. Auf Graphit wächst HBC in einer kommensurablen Struktur. Auf den beiden Au-Oberflächen existieren mehrere Strukturen, die sich in ihrer Orientierung und ihren Gitterkonstanten unterscheiden. Neben einer dominierenden HBC-Struktur lassen sich auf den Au-Flächen weitere Strukturen beobachten, deren Auftreten durch den Bedeckungsgrad und die Substratmorphologie, d.h. die Stufenzahl und Terrassengröße des Substrates bestimmt wird. Alle diese HBC-Strukturen konnten als kommensurabel klassifiziert werden. Die Anordnung der HBC-Moleküle in Multilagen wurde für das System HBC auf Au(100)hex mit Hilfe molekularmechanischer Berechnungen modelliert. Die HBC-Moleküle sind in der zweiten Lage gegenüber denen der ersten Lage so verschoben, dass die C-Atome der Moleküle eine graphitähnliche Anordnung zeigen. Wie die STM Untersuchung der organischen Heteroschichten aus HBC und PTCDA zeigen, ist es möglich, epitaktische organische Heteroschichten auch von Molekülen herzustellen, die sich in ihren Gitterkonstanten und in der Symmetrie unterscheiden. Erstmals ließen sich derartige Schichten mittels Rastertunnelmikroskopie direkt und durch LEED auch im reziproken Raum abbilden. Aus dem in den STM Bildern sichtbaren Moirékontrast wurde die Orientierung der beiden organischen Gitter bestimmt. PTCDA wächst bezüglich des HBC-Gitters weder kommensurabel noch point-on-line koinzident, zeigt jedoch eine feste Winkelorientierung. Es handelt sich in diesem Fall um eine inkommensurable Struktur bezüglich des HBC-Gitters, die jedoch bezüglich des zugrundeliegenden Graphitgitters point-on-line Koinzidenz zeigt. Das Versagen der einfachen geometrischen Epitaxiemodelle kann in diesem Fall auf die Existenz mehrerer, energetisch nahezu gleichwertiger Adsorptionsplätze innerhalb der Einheitszelle des Substrates zurückgeführt werden.

Ce travail porte sur la conception, l’épitaxie, et la caractérisation structural et optique de deux types de nanostructures, à savoir des boîtes quantiques AlGaN/AIN et des nanodisques AlGaN/AIN sur nanofils GaN. Ces nanostructures ont été synthetisées par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PA-MBE) et ont été conçues pour être le matériau actif d’une lampe ultraviolette à pompage électronique (EPUV) pour la purification de l'eau. En modifiant la composition Al et la géométrie des boîtes quantiques AlGaN/AlN, leur longueur d'onde d'émission peut être réglée dans la gamme 320-235 nm tout en gardant une grande efficacité quantique interne (> 35%). Le confinement quantique a été confirmé par la stabilité de l'intensité et du temps de déclin de la photoluminescence avec la température. La quantité optimale d’AlGaN dans les boîtes pour obtenir une luminescence maximale à la température ambiante est un compromis entre densité de boîtes quantiques et rendement quantique interne. L'effet de la variation du rapport hauteur/diamètre de base sur les transitions interbande et intrabande dans les boîtes a été explorée par ajustement des données expérimentales à des calculs tridimensionnels du diagramme de bande et des niveaux quantiques. En ce qui concerne les nanodisques d’AlGaN sur nanofils GaN, l'interdiffusion Al-Ga aux interfaces et l'hétérogénéité de l'alliage ternaire sont attribuées aux processus de relaxation des contraintes. Cette interprétation a été prouvée par la corrélation des données expérimentales avec des calculs de distribution déformation en trois dimensions effectuées sur des structures qui imitent la séquence de croissance réelle. Malgré le défi du manque d'homogénéité, la longueur d'onde d'émission des nanodisques AlGaN/AIN peut être réglée dans la gamme ultraviolette en préservant une haute efficacité quantique interne. Un prototype de lampe EPUV a été fabriqué en utilisant une région active à base de boîtes quantiques AlGaN/AIN avec les valeurs optimals d'épaisseur de la région active, d'épaisseur de la barrière AlN, et de quantité d’AlGaN dans chaque couche de boîtes. Pour ce premier dispositif, le SiC a été utilisé comme substrat pour éviter les problèmes associés à l’évacuation de charge ou de chaleur. Un essai de purification de l'eau par une telle lampe a été réalisé. Tous les échantillons ont été purifiés avec succès à la dose prévue. / This work reports on the design, epitaxial growth, and the structural, and optical characterization of two types of nanostructures, namely AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots (SK-QD) and AlGaN/AlN nanodisks (NDs) on GaN nanowires (NWs). These nanostructures were grown using plasma-assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) and were conceived to be the active media of electron-pumped ultraviolet (EPUV) emitters for water purification, operating in mid-ultraviolet range. The peak emission wavelength of three-dimensional SK-QD can be tuned in mid-ultraviolet range while keeping high internal quantum efficiency (IQE > 35%) by modifying the Al composition and the QD geometry. The efficient carrier confinement was confirmed by the stability of the photoluminescence intensity and decay time with temperature. The optimal deposited amount of AlGaN in AlGaN/AlN QDs which grants maximum luminescence at room temperature was determined by finding a compromise between the designs providing maximum IQE and maximum QD density. The effect of the variation of the QD height/base-diameter ratio on the interband and intraband optical properties was explored by fitting the experimental data with three-dimensional calculations of the band diagram and quantum levels. Regarding AlGaN/AlN NDs on GaN NWs, the Al-Ga intermixing at Al(Ga)N/GaN interfaces and the alloy inhomogeneity in AlGaN/AlN NDs are attributed to the strain relaxation process. This interpretation was proved by correlation of experimental data with three-dimensional strain distribution calculations performed on structures that imitate the real growth sequence. Despite the challenge of inhomogeneity, the emission wavelength of AlGaN/AlN NDs can be tuned in mid-ultraviolet range while preserving high IQE by adjusting the ND thickness and Al content. A prototype of EPUV emitter was fabricated using the AlGaN/AlN SK-QDs active region with proposed optimal design of active region thickness, AlN barrier thickness, and amount of AlGaN in each QD layer. For this first device, SiC was used as a substrate to prevent problems associated to charge or heat evacuation. A water purification test by such prototype EPUV emitter was carried out by irradiating E-coli bacteria, showing that all the specimens were successfully purified at the predicted ultraviolet dose.