In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Aspekte des Einflusses von Lokalisation, Unordnung und Polarisationsfeldern auf Elektron-Loch Zustände in Quantengräben (QWs von engl. quantum wells) aus Halbleitern mit großer Bandlücke theoretisch untersucht. Unter Verwendung eines Schwerpunktseparationsansatzes wird das Verhalten von QW Exzitonen und Biexzitonen im Grenzfall schwacher Lokalisation beschrieben. Es zeigt sich, daß die Lokalisationsenergie des Biexzitons mehr als doppelt so groß ist wie die des Exzitons. Dies wird verursacht durch ein universelles Gesetz der Lokalisation in schwachen zwei-dimensionalen Potentialen, welches lediglich durch das "Potentialvolumen" und die Masse des lokalisierten Teilchens bestimmt wird. Ein einfaches Modell des QW Biexzitons wird entwickelt, dessen Ergebnisse gut mit jenen übereinstimmen, die man mit Hilfe eines aufwendigeren numerischen Modells erhält. Der Grenzfall starker Lokalisation von QW Exzitonen und höheren Exzitonenkomplexen wird mittels einer Dichtefunktionalrechnung untersucht. Es wird gezeigt, daß Zustände bis mindestens zum X4 in den nm-großen Potentialminima lokalisieren können, die durch Phasenseparation in (In,Ga)N/GaN QWs enstehen. Es wird das Übergangsspektrum des sukzessiven Zerfalls eines lokalisierten X4 berechnet. Auf Grundlage der selbstkonsistenten Lösung von Poisson- und Schrödinger-Gleichung wird der Einfluß des Probendesigns von (In,Ga)N/GaN QW-Strukturen auf den makroskopischen Verlauf des Polarisationsfeldes in Wachstumsrichtung und somit auf optische Übergangsenergie und Oszillatorstärke systematisch untersucht. Besondere Bedeutung kommt dabei der Abschirmung der Felder durch Raumladungszonen zu. Es wird gezeigt, daß die Position des QW bezüglich einer ausgedehnten Oberflächen-Verarmungszone - die in n-dotierten, Ga-polarisierten Proben auftritt - erheblichen Einfluß auf Übergangsenergie und Oszillatorstärke hat. Durch die räumliche Variation der Polarisationsfeldstärke in dieser Verarmungszone kann das optische Übergangsspektrum eines Mehrfach-QW Schultern oder mehrere Maxima aufweisen. Indium Oberflächen-Segregation ruft eine Blauverschiebung der Übergangsenergie hervor, die bis zu einem Drittel der vom Polarisationsfeld verursachten quantum confined Stark-Verschiebung kompensiert. Diese Blauverschiebung wird von einer Verringerung des Elektron-Loch Überlapps begleitet. Die Polarisationsfelder in (In,Ga)N/GaN Mehrfach-QWs verschmieren das stufenförmige Einteilchen-Absorptionsspektrum. Durch die Aufhebung der näherungsweisen Diagonalität von Inter-Subband Übergängen und durch die Miniband-Dispersion in höheren, gekoppelten Zuständen haben diese Felder, neben dem Beitrag von Potentialfluktuationen, einen entscheidenden Einfluß auf die Form des Absorptionsspektrums. Ein in der Literatur diskutierter Mechanismus, der allein durch Polarisationsfelder eine Verbreiterung optischer Spektren hervorruft, kann nicht bestätigt werden. Unter Annahme einer unkorrelierten Zusammensetzung von (In,Ga)N und einer lateral korrelierten Grenzflächenrauhigkeit von einer Monolage in jeder Grenzfläche zeigt die spektrale Breite des Exzitonen-Schwerpunktpotentials eine Verschmälerung mit zunehmendem Feld. Diese wird verursacht durch das Eindringen der Teilchen in die binären Barrieren und durch ein vergrößertes Exzitonenvolumen. Im Fall einer langreichweitigen Grenzfächenrauhigkeit findet man eine Aufspaltung des Spektrums in einzelne Linien. / In this thesis, various aspects of the influence of localization, disorder, and polarization fields on electron-hole states in wide-gap semiconductor quantum wells (QWs) are investigated theoretically. A theoretical treatment of quantum well exciton and biexciton states in the limit of weak localization is presented, using a center-of-mass separation ansatz. It shows that the localization energy of the biexciton is more than twice as large as that of the exciton due to the universal behaviour of localization in weak two-dimensional potentials which is ruled only by the potential "volume" and the mass of the localized particle. A useful simple model of the QW biexciton wavefunction is developed which provides good agreement with the results obtained with an extensive numerical solution. The limit of strong localization of QW excitons and higher exciton complexes is investigated with a density functional calculation. It is demonstrated that states at least up to X4 may localize in nm-scale potential boxes caused by indium phase separation in (In,Ga)N/GaN QWs. The transition spectrum of the successive recombination of a localized X4 is calculated. A systematic investigation of the influence of the sample design of (In,Ga)N/GaN QW structures on optical transition energy and oscillator strength reveals the importance of space charge layers with regard to screening of polarization fields along the QW-axis. Based on a self-consistent solution of the Schrödinger-Poisson equations, the overall situation of the macroscopic spontaneous and piezoelectric polarization fields is discussed in dependence on various substantial sample parameters. It is found that the position of a QW in the sample with respect to an extended surface depletion layer - which is shown to exist in n-type Ga-face grown material - severely affects transition energy and electron-hole overlap. Due to the spatial variation of the field strength in this surface depletion layer, the optical transition spectrum of a Ga-face grown multiple-QW can display shoulders or even a multiple-peak structure. Indium surface segregation results in a blueshift of the transition energy compensating up to one third of the quantum confined Stark shift produced by the polarization field. This blueshift is accompanied by a decrease of the electron-hole overlap. Polarization fields in (In,Ga)N/GaN multiple-QWs result in a smoothing of the step-like single-particle absorption spectrum. Apart from the contribution of compositional fluctuations, the fields have significant influence on the shape of the spectrum via the abrogation of the nearly diagonality of inter-subband transitions and via the mini-band dispersion of higher coupled states in case of a periodic structure. A line broadening-mechanism due to polarization fields in (In,Ga)N/GaN QWs, as sometimes discussed in literature, could not be confirmed. Assuming uncorrelated (In,Ga)N alloy and in-plane-correlated interface roughness of one monolayer in each interface, the calculation of the spectral width of the QW exciton center-of-mass potential yields a narrowing with increasing average field. This is a result of the penetration of the carriers into the barriers and of an increasing exciton volume. In case of a long-range interface roughness, a splitting of the spectrum into individual lines can be predicted.

Diese Arbeit stellt eine gründliche Analyse der Schwerpunktsbewegung von Exzitonen in Halbleiter-Quantengräben und -Quantendrähten dar. Dabei wurde die k.p-Kopplung der schweren und leichten Löcher im Valenzband sowie das Coulomb-Potential voll berücksichtigt. Die Optimierung der Schwerpunktstransformation auf der Basis eines Ansatzes für die Abhängigkeit des Grundzustands des Exzitons vom Schwerpunktsimpuls Q ermöglichte numerische Ergebnisse hoher Qualität. Es zeigt sich nämlich, daß in einer Subbandentwicklung die Enveloppe des Grundzustands des Exzitons in guter Näherung unabhängig vom Schwerpunktsimpuls ist. So konnten erstmalig Multiband-Exziton-Berechnungen in Quantendrähten mit voller Berücksichtigung der Coulomb-Wechselwirkung durchgeführt werden. Die in dieser Arbeit dargestellten Untersuchungen zeigen interessante physikalische Effekte auf, wie beispielsweise eine nichtmonotone Zunahme der Bindungsenergie des exzitonischen Grundzustands mit wachsendem Q und einen zur entsprechenden Kontinuumskante weitestgehend parallelen Verlauf der Dispersion des exzitonischen Grundzustands. Die Optimierung der Schwerpunktstransformation führt außerdem zu einem analytischen Ausdruck für eine mittlere Masse, die relevant für den exzitonischen Grundzustand ist. / This thesis presents a thorough investigation of the center-of-mass dispersion properties of excitons in semiconductor quantum wells and quantum wires. The k.p coupling of heavy and light holes as well as the Coulomb coupling are taken fully into account. High-quality numerical calculations of the exciton center-of-mass dispersion are achieved by optimizing the center-of-mass transformation, making use of an Ansatz for the dependence of the groundstate exciton upon the center-of-mass momentum Q. Indeed, the envelope in the subband expansion of the groundstate exciton is to a good approximation independent of Q. This technique made possible for the first time multiband calculations in quantum wires that take the Coulomb coupling fully into account. Various physically interesting effects are found and investigated, like, e.g., the non-monotonous increase of the exciton groundstate binding energy with Q or the fact that the exciton groundstate energy follows the exciton continuum edge rather closely. The center-of-mass optimization leads also to an analytical expression for an estimate of the exciton groundstate center-of-mass mass.

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.

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

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen mittels reaktiver Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf SiC(0001)-Substraten. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Die reaktive MBE von Gruppe-III-Nitriden nutzt die katalytische Dekomposition von NH3 als Stickstoff-Precursor. Im Vergleich zur plasma-unterstützten MBE und metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) ist dieses Abscheideverfahren eine noch wenig etablierte Methode, um kristalline (Al,Ga)N-basierende Heterostrukturen herzustellen. Es wird eine Einführung in das Verfahren und die Oberflächenchemie der reaktiven MBE gegeben. Die Synthese von (Al,Ga)N-Pufferschichten auf SiC(0001) wird diskutiert. Eine Prozedur zur Präparation der SiC-Substrate wird vorgestellt. Eine Methode zur in situ-Kontrolle der Wachstumsparameter wird erarbeitet, die auf der Beugung von hochenergetischen Elektronen (RHEED) beruht und ein reproduzierbares (Al,Ga)N-Wachstum ermöglicht. Die Pufferschichten haben atomar glatte Oberflächen, die sich für eine weitere Abscheidung von GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen eignen. Es werden die strukturellen und optischen Eigenschaften solcher Strukturen studiert und mit Proben verglichen, die mittels plasma-unterstützter MBE und MOCVD hergestellt werden. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer elektrischen Polarisationsfelder aus. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwell-Strukturen (MQWs) mit unterschiedlichen Well-Dicken werden auf GaN- und (Al,Ga)N-Pufferschichten gewachsen. Es werden die Auswirkungen der spontanen Polarisation und Piezopolarisation auf die optischen Eigenschaften der MQWs studiert. Im speziellen wird - experimentell und theoretisch - gezeigt, daß die polarisationsbedingten elektrischen Felder in GaN/(Al,Ga)N-MQWs nicht durch hohe Dichten von freien Ladungsträgern abgeschirmt werden können. Ferner wird der Einfluß der GaN/(Al,Ga)N-Grenzflächenmorphologie auf die optischen Eigenschaften studiert. Das Wachstum von (Al,Ga)N/GaN-Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (HFETs) auf semiisolierenden (Al,Ga)N-Puffern wird untersucht. Diese Heterostrukturen zeichnen sich durch eine geringe Dichte an Fadenversetzungen (1-2 x 108 cm-2) und durch das Fehlen jeglicher Parallelleitfähigkeit aus. Für diese Strukturen, die Beweglichkeiten von bis zu 750 cm2/Vs bei Raumtemperatur zeigen, werden Simulationen der temperaturabhängigen Beweglichkeiten unter Beachtung aller wichtigen Streumechanismen durchgeführt. In Übereinstimmung mit der Sekundärionenspektrometrie an diesen Proben wird belegt, daß die Transistoreigenschaften dominant durch tiefe Störstellen - sehr wahrscheinlich As - begrenzt werden. Es wird die Synthese von spannungskompensierten GaN/(Al,Ga)N-Bragg-Reflektoren mit Reflektivitäten von über 90% im blauen Spektralbereich vorgestellt. Die experimentelle Realisierung basiert auf der exakten Bestimmung der individuellen Schichtdicken durch die Simulation der gemessenen Röntgenbeugungsprofile und Reflektivitätsspektren. Die mittels Laserstreuung abgeschätzten Reflektivitätsverluste können durch NH3-reiche Synthesebedingungen reduziert werden. / In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga)N heterostructures on SiC(0001) by reactive molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, optical and electrical properties of the films. MBE of group-III nitrides is almost entirely based on the use of an N2 plasma discharge for providing reactive N. However, an alternative and attractive candidate for producing N radicals is NH3, which decomposes on the growth front by a catalytic reaction even at comparatively low temperatures. The basic growth technique and surface chemistry of reactive MBE is introduced. The deposition of (Al,Ga)N buffer layers on SiC(0001) substrates is discussed. An ex-situ cleaning procedure for the SiC substrates is presented. An in-situ method for the reproducible growth of these buffers layers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The layers have atomically smooth surfaces well suited for the growth of GaN/(Al,Ga)N heterostructures. The structural and optical properties of these buffers are compared to such layers grown by plasma-assisted MBE and metal organic vapor phase deposition (MOCVD), respectively. Compared to other III-V semiconductors hexagonal nitrides exhibit huge electrical polarization fields. GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) with different well thicknesses are deposited on GaN and (Al,Ga)N buffer layers, respectively. It is demonstrated that the electric field in the quantum wells (QWs) leads to a quantum-confined Stark shift of the QW emission, which thus can fall well below the bulk GaN band-gap energy. In the opposite, it is proved that the strain state of the QWs alone has little impact on the electric fields in MQWs. The optical properties of these heterostructures are studied by stationary and time-resolved photoluminescence and compared with the results of self-consistent Schrödinger-Poisson calculations. It is shown that the recombination dynamics in heavily doped MQWs (7 x 1018 cm-3) is still controlled by residual fields, contrary to the common assumption that flat-band conditions are achieved at this doping level. Furthermore, the influence of the interface roughness on the QW emission widths is analyzed. The growth of (Al,Ga)N/GaN heterostructure field effect transistors (HFETs) on semi-insulating (Al,Ga)N buffers is studied. Temperature dependent Hall measurements show a mobility of up to 750 cm2/Vs and 1400 cm2/Vs at 300 K and 77 K, respectively. Transmission electron microscopy reveals the (Al,Ga)N/GaN interface to be abrupt and the dislocation density to be too low to limit the HFET mobility. However, secondary ion mass spectroscopy detects a significant concentration of As in the channel region. Indeed, an excellent fit to the temperature dependence of the mobility is obtained by including scattering with As. The synthesis and analysis of highly reflective and conductive GaN/(Al,Ga)N Bragg reflectors is examined. The realization of these Bragg mirrors is based on the exact determination of the structural parameters by simulating x-ray diffraction profiles and corresponding reflectivity spectra. To prevent cracking from these thick stacks, a concept of strain-balanced multilayer structure is employed. It is demonstrated that the difference between the theoretical and the measured maximum reflectivity can be minimized by growing the Bragg mirrors under NH3 stable growth conditions.