CdS is conventionally used as a buffer layer in Cu(In,Ga)Se2, CIGS, solar cells. The aim of this thesis is to substitute CdS with cadmium-free, more transparent and environmentally benign alternative buffer layers and to analyze how the material properties of alternative layers affect the solar cell performance. The alternative buffer layers have been deposited using Atomic Layer Deposition, ALD. A theoretical explanation for the success of CdS is that its conduction band, Ec, forms a small positive offset with that of CIGS. In one of the studies in this thesis the theory is tested experimentally by changing both the Ec position of the CIGS and of Zn(O,S) buffer layers through changing their gallium and sulfur contents respectively. Surprisingly, the top performing solar cells for all gallium contents have Zn(O,S) buffer layers with the same sulfur content and properties in spite of predicted unfavorable Ec offsets. An explanation is proposed based on observed non-homogenous composition in the buffer layer. This thesis also shows that the solar cell performance is strongly related to the resistivity of alternative buffer layers made of (Zn,Mg)O. A tentative explanation is that a high resistivity reduces the influence of shunt paths at the buffer layer/absorber interface. For devices in operation however, it seems beneficial to induce persistent photoconductivity, by light soaking, which can reduce the effective Ec barrier at the interface and thereby improve the fill factor of the solar cells. Zn-Sn-O is introduced as a new buffer layer in this thesis. The initial studies show that solar cells with Zn-Sn-O buffer layers have comparable performance to the CdS reference devices. While an intrinsic ZnO layer is required for a high reproducibility and performance of solar cells with CdS buffer layers it is shown in this thesis that it can be thinned if Zn(O,S) or omitted if (Zn,Mg)O buffer layers are used instead. As a result, a top conversion efficiency of 18.1 % was achieved with an (Zn,Mg)O buffer layer, a record for a cadmium and sulfur free CIGS solar cell. / Felaktigt tryckt som Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 717

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.

The commercial breakthrough of ZnO-based devices is hampered mainly by the unipolar n-type conductivity of this material. Hydrogen, which is known to form both electrically active and inactive complexes in ZnO, is considered as a main cause of this behavior. However, the existing literature is incomplete and partly contradictory. The object of the present thesis is a comprehensive investigation of the properties of two hydrogen-induced shallow donors HBC and HO, the hydrogen molecule H2, and a hydrogen-related defect, which gives rise to local vibrational modes (LVMs) at 3303 and 3320 cm-1, in ZnO and their interaction. The defects are characterized by Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy, photoconductivtity (PC) and photoluminescence measurements. Based on the PC technique, a novel and highly sensitive spectroscopic approach is established, which is applicable for probing LVMs in strongly absorbing spectral regions. This technique enables the detection of the local modes of HO at 742 and 792 cm-1 in the neutral charge state. In consequence, earlier theoretical predictions regarding the microscopic structure of this shallow donor can be verified. In Raman measurements the electronic 1s→2s transition of HO is identified at 273 cm-1. This quantity is found to blue-shift with the HO defect concentration. A similar blue-shift of the 1s→2s(2p) donor transition of HBC is assigned to local lattice strain which was generated during high temperature processes. A Raman study of the H2 molecule covers its formation, stability, lattice position and interplay with the ZnO host. In particular, the role of H2 for the continuous generation of HO and HBC and the related n-type behavior is elaborated. The analysis unambiguously confirms that the so-called “hidden hydrogen” species is indeed H2. Moreover, the observation of the ortho-para-conversion process and the coupling to the host phonons contribute to a general understanding of H2 in semiconductors. Experimental results of the LVMs of 3303 and 3320 cm-1 in conjunction with model calculations yield an underlying defect containing three hydrogen atoms. This complex Y–H3 exhibits two configurations, which differ only in the orientation of one chemical bond. The findings are consistent equally with a zinc vacancy decorated with three hydrogen atoms and an ammonia molecule, respectively. Earlier models proposed in the literature are discarded. Measurements of concentration profiles by using Raman spectroscopy reveal the local distribution of the hydrogen-related defects as well as lattice imperfections. At the surface, where oxygen vacancies are present, HO is identified as the dominant shallow donor. Below, in parts of the crystal with low damage, HBC is the prevalent defect. In the sample center, characterized by a significant amount of zinc vacancies, the concentrations of H2 and Y–H3 show their maxima. By recording concentration profiles after thermal treatments a spatially resolved investigation of the interplay of these hydrogen-related defects is possible. / Der kommerzielle Durchbruch von ZnO-basierten Bauelementen ist hauptsächlich durch die beständige n-Typ Leitung des Materials eingeschränkt. Wasserstoff, der sowohl elektrisch aktive als auch inaktive Komplexe in ZnO formt, gilt als ein Hauptverursacher dieses Verhaltens. Jedoch ist die bestehende Literatur zu derartigen Defekten unvollständig, teils auch widersprüchlich. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind umfassende Untersuchungen der beiden wasserstoffinduzierten Donatoren HBC und HO, des Wasserstoffmoleküls H2 und eines Wasserstoffdefekts mit lokalen Schwingungsmoden (LSMn) bei 3303 und 3320 cm-1 in ZnO hinsichtlich ihrer Eigenschaften und gegenseitigen Wechselwirkung. Die Charakterisierung der Komplexe erfolgt mit Hilfe von Raman-Spektroskopie, Infrarot-Absorptionsspektroskopie, Photoleitfähigkeits- (PC) und Photolumineszenzmessungen. Basierend auf der PC Technik wird eine neuartige, hochsensitive Spektroskopiemethode etabliert, welche auch in stark absorbierenden Spektralbereichen anwendbar ist. Diese Technik ermöglicht erstmals die Detektion der LSMn von HO bei 742 und 792 cm-1 im neutralen Ladungszustand. Das experimentelle Ergebnis verifiziert theoretische Vorhersagen zur mikroskopischen Struktur dieses flachen Donators. In Raman-Messungen wird der elektrische 1s→2s Übergang von HO bei 273 cm-1 identifiziert und eine Blauverschiebung dieser Größe mit zunehmender HO-Konzentration beobachtet. Der Donator HBC zeigt ebenfalls eine Blauverschiebung des elektrischen 1s→2s(2p) Übergangs, welche durch lokale Gitterverzerrungen nach Hochtemperaturbehandlungen bedingt ist. Eine Raman-Studie charakterisiert das H2-Molekül in Bezug auf seine Bildung, Stabilität, Gitterposition und die Wechselwirkung mit dem ZnO-Kristall. Insbesondere wird seine Rolle für die fortwährende Bildung der Donatoren HO und HBC und des damit verbundenen n-Typ Verhaltens herausgearbeitet. Die Analyse ergibt die eindeutige Identifizierung der in der Literatur mit „hidden hydrogen“ bezeichneten Spezies als H2. Darüber hinaus tragen die beobachteten Umwandlungsprozesse zwischen ortho-H2 und para-H2 sowie die Kopplung an das Phononenspektrum zu einem generellen Verständnis von Wasserstoffmolekülen in Halbleitern bei. Die experimentellen Ergebnisse der LSMn bei 3303 und 3320 cm-1 in Kombination mit Modellrechnungen ergeben einen zugrundeliegenden Defekt mit drei Wasserstoffatomen. Dieser Komplex Y–H3 weist zwei Konfigurationen auf, welche sich durch die Orientierung von nur einer chemischen Bindung unterscheiden. Die Beobachtungen sind mit einer Zinkvakanz besetzt mit drei Wasserstoffatomen bzw. einem Ammoniakmolekül als mikroskopische Struktur gleichermaßen erklärbar. Bisherige Modelle aus der Literatur können damit widerlegt werden. Messungen von Konzentrationsprofilen mit Raman-Spektroskopie offenbaren die lokale Verteilung der Wasserstoffdefekte sowie von Gitterstörungen. An der Oberfläche, im Beisein von Sauerstoffvakanzen, ist HO der dominante flache Donator. In dem sich anschließenden ungestörten Kristallverbund ist hingegen der Donator HBC vorherrschend. In Zentrum, welches von Zinkvakanzen geprägt ist, sind die Konzentrationen von H2 und Y–H3 maximal. In Verbindung mit Temperaturbehandlungen ist eine räumlich aufgelöste Untersuchung der Wechselwirkung möglich.

In der vorliegenden Arbeit wird die Gruppe der amorphen oxidischen Halbleiter um das multi-kationische und multi-anionische Zinkmagnesiumoxinitrid erweitert und der Ladungstransport für amorphes Zink-Zinnoxid, amorphes Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid mit einem \textit{Random Band-Edge}-Modell beschrieben. \\ % Im ersten Teil der Arbeit werden Zinkmagnesiumoxinitrid-Dünnfilme mit einem reaktiven Magnetron Co-Sputterverfahren abgeschieden und anschließend im Hinblick auf ihre strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Der Magnesiumgehalt in den Dünnfilmen wird einmal durch die Leistung am Magnesiumtarget und einmal über die Abscheidung eines kontinuierlichen Kompositionsgradienten variiert. Mit Röntgen\-diffrakto\-metrie wird überprüft, ob sich im Vergleich zu amorphem Zinkoxinitrid durch Zugabe von Magnesiumkationen kristalline Phasen bilden. Mit spektroskopischer Ellipsometrie wird die dielektrische Funktion von Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid bestimmt und so der Einfluss der Magnesiumkationen auf das Absorptionsverhalten untersucht. Die Ladungsträgerkonzentration und Hall-Mobilität werden mit Hall-Effekt Messungen bestimmt und in Abhängigkeit vom Magnesiumgehalt dargestellt. Neben der Variation des Magnesiumgehalts wird der Einfluss von molekularem Stickstoffgas, das Angebot von Stickstoffradikalen mit einer Radiofrequenz-Plasmaquelle und die Auswirkungen der Targeterosion auf die elektrischen Eigenschaften der Zink\-magnesium\-oxinitrid-Dünnfilme untersucht.\\ % Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung des \textit{Random Band-Edge}-Modells von Nenashev \textit{et al.} [Phys. Rev. B 100, 125202 (2019)] zur Beschreibung des Ladungstransports in amorphen oxidischen Halbleitern eingeführt. Mit dem Modell werden die Potentialfluktuationen der Mobilitätskante quantifiziert. Außerdem werden theoretische Modellparameter für die intrinsische Bandmobilität, das Femilevel und die Dichte lokalisierter Defektzustände an der Mobilitätskante bestimmt. Dafür werden temperaturabhängige Hall-Effekt Daten von amorphem Zink-Zinnoxid, Zinkoxinitrid und Zinkmagnesiumoxinitrid ausgewertet. Für Zink-Zinnoxid werden drei Probenserien mit jeweils einem variierenden Prozessparameter evaluiert: das Zn:Sn-Kationenverhältnis und der Sauerstoffpartialdruck für eine Abscheidung mit der gepulsten Laserdeposition und der Gesamtdruck für das Magnetronsputterverfahren. Daneben wird Zinkoxinitrid mit einer Variation der Substrattemperatur und Zinkmagnesiumoxinitrid mit einer Variation der Magnesiumkationenkonzentration modelliert.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe oxidische Halbleiter 2.2 Defekte in amorphen oxidischen Halbleitern 2.3 Amorphe oxiische Halbleiter im Detail 2.4 Ladunstransport in amrophen oxidischen Halbeleitern - eine Übersicht 2.5 Random Band-Edge-Modell nach Nenashev et al. 3 Methoden 3.1 Magnetronsputterverfahren 3.2 Chemische und strukturelle Charakterisierung 3.3 Optische Charakterisierung 3.4 Elektrische Charakterisierung 4 ZnMgON-Dünnfilme 4.1 Chemische Komposition 4.2 Strukturelle Eigenschaften 4.3 Optische Eigenschaften 4.4 Elektrische Eigenschaften 4.5 ZnMgON -Untersuchung der Prozessparameter im Detail 4.6 Diskussion und Zusammenfassung - ZnMgON-Dünnfilme 4.7 Abschätzung der Potentialfluktuationen durch einen Vergleich zwischen Hall- und Drude-Mobilität 5 Erweiterung des Random Band-Edge-Modells 5.1 Variation der Modellparameter des erweiterten RBE-Modells 6 Analyse des Ladungstransports in AOS mit dem erweiterten RBE-Modell 6.1 a-IGZO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.2 a-ZTO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.3 a-ZnON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.4 ZnMgON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.5 Diskussion 6.6 Zusammenfassung - Erweiterung des RBE-Modells 7 Zusammenfassung und Ausblick / In the present work, the amorphous oxide semiconductor zinc magnesium oxynitride, as a multi-cationic and multi-anionic compound, is deposited and characterized. Further, the electrical transport properties of amorphous zinc tin oxide, amorphous zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride are described by an extended \textit{random band-edge} model.\\ % In the first part of this work, zinc magnesium oxynitride thin films are deposited by reactive magnetron co-sputtering and are subsequently investigated with regard to their structural, optical and electrical properties. The magnesium content in the thin films is varied by the power at the magnesium target and by depositing a continuous composition gradient. X-ray diffractometry is used to check whether crystalline phases occur due to the addition of magnesium cations. Spectroscopic ellipsometry is used to determine the dielectric function of zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride to investigate the influence of magnesium cations on the absorption behavior. The charge carrier concentration and Hall-mobility are determined with Hall-effect measurements and are presented as a function of magnesium content. In addition to the variation of magnesium content, the influence of molecular nitrogen gas, the supply of nitrogen radicals with a radio frequency plasma source, and the effect of target poisoning on the electrical properties of zinc magnesium oxynitride thin films are investigated.\\ % In the second part of the work, an extension of the \textit{random band-edge} model by Nenashev \textit{et al.} [Phys. Rev. B 100, 125202 (2019)] is proposed to analyze the charge carrier transport in amorphous oxide semiconductors. The model allows quantifying the potential fluctuations of the mobility edge. Besides this, theoretical model parameters as the intrinsic band mobility, the Fermi level, and the density of localized defect states at the mobility edge are determined. Therefore, temperature-dependent Hall effect data of amorphous zinc tin oxide, zinc oxynitride and zinc magnesium oxynitride are evaluated. For zinc tin oxide three different sample series are evaluated: with Zn:Sn cation and oxygen partial pressure variation for a pulsed laser deposition process and with variation of the total pressure for a magnetron sputtering process. In addition, zinc oxynitride thin films with a variation of substrate temperature and zinc magnesium oxynitride thin films with a variation of magnesium cation concentration are modeled.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Amorphe oxidische Halbleiter 2.2 Defekte in amorphen oxidischen Halbleitern 2.3 Amorphe oxiische Halbleiter im Detail 2.4 Ladunstransport in amrophen oxidischen Halbeleitern - eine Übersicht 2.5 Random Band-Edge-Modell nach Nenashev et al. 3 Methoden 3.1 Magnetronsputterverfahren 3.2 Chemische und strukturelle Charakterisierung 3.3 Optische Charakterisierung 3.4 Elektrische Charakterisierung 4 ZnMgON-Dünnfilme 4.1 Chemische Komposition 4.2 Strukturelle Eigenschaften 4.3 Optische Eigenschaften 4.4 Elektrische Eigenschaften 4.5 ZnMgON -Untersuchung der Prozessparameter im Detail 4.6 Diskussion und Zusammenfassung - ZnMgON-Dünnfilme 4.7 Abschätzung der Potentialfluktuationen durch einen Vergleich zwischen Hall- und Drude-Mobilität 5 Erweiterung des Random Band-Edge-Modells 5.1 Variation der Modellparameter des erweiterten RBE-Modells 6 Analyse des Ladungstransports in AOS mit dem erweiterten RBE-Modell 6.1 a-IGZO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.2 a-ZTO - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.3 a-ZnON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.4 ZnMgON - Modellierung der elektrischen Transporteigenschaften 6.5 Diskussion 6.6 Zusammenfassung - Erweiterung des RBE-Modells 7 Zusammenfassung und Ausblick

The work presented in this thesis deals with optical studies of semiconductor quantum dots (QDs) in the InGaAs material system. It is shown that for self-assembled InAs QDs, the interaction with the surrounding GaAs barrier and the InAs wetting layer (WL) in particular, has a very large impact on their optical properties. The ability to control the charge state of individual QDs is demonstrated and attributed to a modulation in the carrier transport dynamics in the WL. After photo-excitation of carriers (electrons and holes) in the barrier, they will migrate in the sample and with a certain probability become captured into a QD. During this migration, the carriers can be affected by exerting them to an external magnetic field or by altering the temperature. An external magnetic field applied perpendicular to the carrier transport direction will lead to a decrease in the carrier drift velocity since their trajectories are bent, and at sufficiently high field strength become circular. In turn, this decreases the probability for the carriers to reach the QD since the probability for the carriers to get trapped in WL localizing potentials increases. An elevated temperature leads to an increased escape rate out of these potentials and again increases the flow of carriers towards the QD. These effects have significantly different strengths for electrons and holes due to the large difference in their respective masses and therefore it constitutes a way to control the supply of charges to the QD. Another effect of the different capture probabilities for electrons and holes into a QD that is explored is the ability to achieve spin polarization of the neutral exciton (X0). It has been concluded frequently in the literature that X0 cannot maintain its spin without application of an external magnetic field, due to the anisotropic electron – hole exchange interaction (AEI). In our studies, we show that at certain excitation conditions, the AEI can be by-passed since an electron is captured faster than a hole into a QD. The result is that the electron will populate the QD solely for a certain time window, before the hole is captured. During this time window and at polarized excitation, which creates spin polarized carriers, the electron can polarize the QD nuclei. In this way, a nuclear magnetic field is built up with a magnitude as high as ~ 1.5 T. This field will stabilize the X0 spin in a similar manner as an external magnetic field would. The build-up time for this nuclear field was determined to be ~ 10 ms and the polarization degree achieved for X0 is ~ 60 %. In contrast to the case of X0, the AEI is naturally cancelled for the negatively charged exciton (X-) and the positively charged exciton (X+) complexes. This is due to the fact that the electron (hole) spin is paired off in case of X- (X+).  Accordingly, an even higher polarization degree (~ 73 %) is measured for the positively charged exciton. In a different study, pyramidal QD structures were employed. In contrast to fabrication of self-assembled QDs, the position of QDs can be controlled in these samples as they are grown in inverted pyramids that are etched into a substrate. After sample processing, the result is free-standing AlGaAs pyramids with InGaAs QDs inside. Due to the pyramidal shape of these structures, the light extraction is considerably enhanced which opens up possibilities to study processes un-resolvable in self-assembled QDs. This has allowed studies of Auger-like shake-up processes of holes in single QDs. Normally, after radiative recombination of X+, the QD is populated with a ground state hole. However, at recombination, a fraction of the energy can be transferred to the hole so that it afterwards occupies an excited state instead. This process is detected experimentally as a red-shifted luminescence satellite peak with an intensity on the order of ~ 1/1000 of the main X+ peak intensity. The identification of the satellite peak is based on its intensity correlation with the X+ peak, photoluminescence excitation measurements and on magnetic field measurements. / Arbetet som presenteras i denna avhandling rör studier av kvantprickars optiska egenskaper. En kvantprick är en halvledarkristall som endast är några tiotals nanometer stor. Den ligger oftast inbäddad inuti en större kristall av ett annat halvledarmaterial och pga. den begränsade storleken får en kvantprick mycket speciella egenskaper. Bland annat så kommer elektronerna i en kvantprick endast att kunna anta vissa diskreta energinivåer liknande situationen för elektronerna i en atom. Följaktligen kallas kvantprickar ofta för artificiella atomer. För halvledarmaterial gäller det generellt att det inte endast är fria elektroner i ledningsbandet, som kan leda ström utan även tomma elektrontillstånd i valens­bandet, vilka uppträder som positivt laddade partiklar, kan leda ström. Dessa kallas kort och gott för hål. I en kvantprick har hålen såsom elektronerna helt diskreta energinivåer. Precis som är fallet i en atom, så kommer elektroniska övergångar mellan olika energi­nivåer i en kvantprick att resultera i att ljus emitteras. Energin (dvs. våglängden alt. färgen) för detta ljus bestäms av hur energinivåerna i kvant­pricken ligger, för elektronerna och hålen, och genom att analysera ljuset kan man således studera kvantprickens egenskaper. Studierna i den här avhandlingen visar att växelverkan mellan en kvantprick och den omgivande kristallen, som den ligger inbäddad i, har stor inverkan på kvantprickens optiska egenskaper. T.ex. visas att man kan kontrollera antalet elektroner, som kommer att finnas i kvantpricken genom att modifiera hur elektronerna kan röra sig i omgivningen. Dessa rörelser modifieras här genom att variera temperaturen och genom att lägga på ett magnetiskt fält. Ett magnetiskt fält, vinkelrätt mot en elektrons rörelse, kommer att böja av dess bana och dess chans att nå fram till kvantpricken kan således minskas. Elektronen kan då istället fastna i andra potentialgropar i kvantprickens närhet. Genom att öka temperaturen, vilket ger elektronerna större energi, kan deras chans att nå fram till kvantpricken å andra sidan öka. En annan effekt, som studerats, är möjligheten att kontrollera spinnet hos elektronerna i en kvantprick. Även i dessa studier visar det sig att växelverkan med omgivningen spelar stor roll och kan användas till att kontrollera elektronens spin. Mekanismen som föreslås är att om elektronerna hinner före hålen till kvantpricken, så hinner de överföra sitt spin till atomkärnorna i kvantpricken. På detta sätt kan man få atomkärnornas spin polariserat, vilket resulterar i ett inbyggt magnetfält, i storleksordningen 1.5 Tesla, som i sin tur hjälper till att upprätthålla en hög grad av spinpolarisering även hos elektronerna. För att få elektronerna att hinna först, måste deras rörelser i omgivningen kontrolleras. I en ytterligare studie undersöktes den process där en elektronisk övergång i kvantpricken inte enbart resulterar i emission av ljus, utan även i att en annan partikel tar över en del av energin och blir exciterad. Dessa processer avspeglas i att en del av det ljus som emitteras har lägre energi. Detta ljus är också mycket svagt, ca 1000 ggr lägre intensitet, och möjligheten att kunna mäta detta är helt beroende på hur ljusstarka kvantprickarna är. De prover som använts i denna studie består av pyramidstrukturer, ca 7.5 mikrometer stora, med kvantprickar inuti. Denna geometri ger ca 1000 ggr bättre ljusutbyte jämfört med traditionella strukturer, vilket möjliggjort studien.

This thesis reports an experimental characterization of the ultrafast gain and refractive index dynamics of a novel InAs/InGaAsP/InP quantum-dot (QD) semiconductor optical amplifier (SOA) operating near 1.55-µm wavelengths, assessing its high-speed performance characteristics for the first time. The thesis also studies the influence of the degree of quantum confinement on the dynamics of SOAs by comparing the zero-dimensional (0-D) QD's dynamics to those in 1-D InAs/InAlGaAs/InP quantum-dash (QDash), and 2-D InGaAsP/InGaAsP/InP quantum-well (QW) SOAs, both of which also operate near 1.55-µm wavelengths, and are made with matching or similar materials and structures. The ultrafast (around 1 ps) and long-lived (up to 2 ns) amplitude and phase dynamics of the SOAs are characterized via advanced heterodyne pump-probe measurements with 150-femtosecond resolution. It is found that the QD SOA has an 80-picosecond amplitude, and 110-picosecond phase recovery lifetime in the gain regime, 4-6 times faster than the QDash and QW recovery lifetimes, as well as reduced ultrafast transients, giving it the best properties for high-speed (> 100 Gb/s) all-optical signal processing in the important telecommunications wavelength bands. An impulse response model is developed and used to analyze the dynamics, facilitating a comparison of the gain compression factors, time-resolved linewidth enhancement factors (alpha-factors), and instantaneous dynamic coefficients (two-photon absorption and nonlinear refractive-index coefficients) amongst the three structures. The quantum-dot device is found to have the lowest effective alpha-factor, 2-10, compared to 8-16 in the QW, as well as time-resolved alpha-factors lower than in the QW—promising for reduced-phase-transient operation at high bitrates. Significant differences in the alpha-factors of lasers with the same structure are found, due to the differences between gain changes that are induced optically or through the electrical bias. The relative contributions of stimulated transitions and free-carrier absorption to the total carrier heating dynamics in SOAs of varying dimensionality are also reported for the first time. Examining the QD electroluminescence and linear gain spectra in combination with the carrier dynamics also brings about conclusions on the nature of the quantum confinement, dot energy-level structure, and density of states—aspects of the material that have not been previously well understood.

This thesis reports an experimental characterization of the ultrafast gain and refractive index dynamics of a novel InAs/InGaAsP/InP quantum-dot (QD) semiconductor optical amplifier (SOA) operating near 1.55-µm wavelengths, assessing its high-speed performance characteristics for the first time. The thesis also studies the influence of the degree of quantum confinement on the dynamics of SOAs by comparing the zero-dimensional (0-D) QD's dynamics to those in 1-D InAs/InAlGaAs/InP quantum-dash (QDash), and 2-D InGaAsP/InGaAsP/InP quantum-well (QW) SOAs, both of which also operate near 1.55-µm wavelengths, and are made with matching or similar materials and structures. The ultrafast (around 1 ps) and long-lived (up to 2 ns) amplitude and phase dynamics of the SOAs are characterized via advanced heterodyne pump-probe measurements with 150-femtosecond resolution. It is found that the QD SOA has an 80-picosecond amplitude, and 110-picosecond phase recovery lifetime in the gain regime, 4-6 times faster than the QDash and QW recovery lifetimes, as well as reduced ultrafast transients, giving it the best properties for high-speed (> 100 Gb/s) all-optical signal processing in the important telecommunications wavelength bands. An impulse response model is developed and used to analyze the dynamics, facilitating a comparison of the gain compression factors, time-resolved linewidth enhancement factors (alpha-factors), and instantaneous dynamic coefficients (two-photon absorption and nonlinear refractive-index coefficients) amongst the three structures. The quantum-dot device is found to have the lowest effective alpha-factor, 2-10, compared to 8-16 in the QW, as well as time-resolved alpha-factors lower than in the QW—promising for reduced-phase-transient operation at high bitrates. Significant differences in the alpha-factors of lasers with the same structure are found, due to the differences between gain changes that are induced optically or through the electrical bias. The relative contributions of stimulated transitions and free-carrier absorption to the total carrier heating dynamics in SOAs of varying dimensionality are also reported for the first time. Examining the QD electroluminescence and linear gain spectra in combination with the carrier dynamics also brings about conclusions on the nature of the quantum confinement, dot energy-level structure, and density of states—aspects of the material that have not been previously well understood.

Photodetectors are a kind of semiconductor devices that convert incoming light to an electrical signal. Photodetectors are classified based on their different structure, fabrication technology, applications and different sensitivity. Infrared photodetectors are widely used in many applications such as night vision, thermal cameras, remote temperature sensing, and medical diagnosis etc.   All detectors have material inside that is sensitive to incoming light. It will absorb the photons and, if the incoming photons have enough energy, electrons will be excited to higher energy levels and if these electrons are free to move, under the effect of an external electric field, a photocurrent is generated.   In this project Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spectroscopy is used to investigate a new kind of photodiodes that are based on self-assembled semiconductor nanowires (NWs) which are grown directly on the substrate without any epi-layer. The spectrally resolved photocurrent (at different applied biases) and IV curves (in darkness and illumination) for different temperatures have been studied respectively. Polarization effects (at low and high Temperatures) have been investigated.  The experiments are conducted for different samples with high concentration of NWs as well as with lower concentration of NWs in the temperature range from 78 K (-195ºC) to 300 (27ºC). These photodiodes are designed to work in near infrared (NIR) spectral range.   The results show that the NW photodetectors indeed are promising devices with fairly high break down voltage, change of photocurrent spectra with polarized light, low and constant reverse saturation current (Is). The impact of different polarized light on photocurrent spectra has been investigated and an attempt has been made to clarify the observed double peak of InP photocurrent spectrum. Our investigations also include a comparison to a conventional planar InP p-i-n photodetector.

Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern über raumladungszonenspektroskopische Methoden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Detektion von elektronisch und optisch aktiven Defektzuständen in solchen Materialien. Die Experimente wurden exemplarisch an dem II-VI Halbleiter Zinkoxid (ZnO) durchgeführt, welcher inform von Volumenkristallen, Mikronadeln und Dünnfilmen zur Verfügung stand. Raumladungszonen wurden über Schottky-Kontakte realisiert. Nach einer Einführung in die Theorie der Raumladungszonenspektroskopie wird ein Überblick über Defekte in verschiedenartig gezüchteten ZnO gegeben. Dazu werden die Standardverfahren Strom-Spannungs-Messung, Kapazitäts-Spannungs-Messung, Thermische Admittanz- Spektroskopie (TAS) und Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) verwendet. Ergänzend wurden die auf weitbandlückige Halbleiter ausgelegten Verfahren Low Rate Deep Level Transient Spectroscopy (LR-DLTS) und Deep Level Optical Spectroscopy (DLOS) eingesetzt, mit welchen es möglich ist Defektzustände in der gesamten Bandlücke von ZnO nachzuweisen. Für die untersuchten Störstellenniveaus konnten somit die thermische Aktivierungsenergie, Einfangquerschnitte freier Ladungsträger und Photoionisationsquerschnitte bestimmt werden. Typischerweise werden tiefe Defekte durch die Bestrahlung mit hochenergetischen Protonen erzeugt. Derartige Behandlungen wurden an binären ZnO- und ternären (Mg,Zn)ODünnfilmen durchgeführt, wobei die Generationsrate eines Defektes über Variation der verwendeten Strahlungsdosis bestimmt wurde. Ionenimplantationen spielen eine große Rolle im Herstellungsprozess von Bauelementen, sind jedoch für ZnO nicht etabliert. Die Auswirkung der Implantation von inerten Argon-Ionen, sowie die nachträgliche thermische Behandlung auf die Konzentration intrinsischer Defekte wurde untersucht. Zink- und Sauerstoff-Implantationen bewirken, neben der Generation von Defekten, eine lokale Änderung der Stöchiometrie. Durch einen Vergleich der Defektkonzentrationen nach Zn-, O-, Ne- und Ar-Implantation können Rückschlüsse auf die chemische Natur intrinsischer Defekte geschlossen werden.:1 Einleitung I Grundlagen 2 Elektronische Eigenschaften von Defekten in Halbleitern 2.1 Typen und Klassifizierung von Defekten 2.2 Lokalisierte Zustände in Halbleitern 2.2.1 Donatoren und Akzeptoren 2.2.2 Flache Defekte und effektive Masse-Näherung 2.2.3 Tiefe Defekte 2.3 Besetzungsstatistik und Ratengleichungen 2.3.1 Thermische Emission 2.3.2 Optische Emission 2.3.3 Nichtstrahlender Einfang und Multiphononen Emission 2.3.4 Arrhenius Auswertung 2.3.5 Zeitentwicklung des Besetzungsgrades 3 Raumladungszonenspektroskopie 3.1 Metall-Halbleiter-Kontakte 3.2 Kapazitätstransienten 3.3 Kapazitäts-Spannungs-Messungen (C(U)) 3.4 Thermische Admittanz Spektroskopie (TAS) 3.5 Deep level transient spectroscopy (DLTS) 3.6 Konzentrationsbestimmung 3.7 Laplace-Deep level transient spectroscopy (LDLTS) 3.7.1 Entstehung des LDLTS-Signals 3.7.2 Einschränkungen der Methode 3.8 Deep level optical spectroscopy (DLOS) 4 Die Halbleiter ZnO und MgZnO 4.1 Kristallstruktur und Gitterparameter 4.2 Bandstruktur 4.3 ZnO als transparentes leitendes Oxid 4.4 Defekte in ZnO 5 Probenherstellung und Charakterisierung 5.1 ZnO-Züchtung 5.1.1 ZnO-Volumenkristalle 5.1.2 ZnO-Dünnfilme 5.2 Kathodenzerstäubung 5.3 Protonenbestrahlung und Ionenimplantation 5.3.1 Bremsquerschnitt 5.3.2 Protonenbestrahlung 5.3.3 Ionenimplantation 5.4 Probenaufbau und Schottky-Kontakte 5.5 Raumladungszonenspektroskopie-Messplatz 5.6 Rasterkraftmikroskopie 5.7 Kelvinsondenkraftmikroskopie 5.8 Röntgendiffraktometrie 5.9 Photolumineszenzspektroskopie II Charakterisierung züchtungsinduzierter Defekte 6 Defekte in ZnO-Volumenkristallen und -Dünnfilmen 6.1 Elektrische Eigenschaften 6.2 Thermische Admittanz-Spektroskopie 6.3 Deep-level transient spectroscopy 6.4 E3 und E3’ in ZnO Dünnfilmen 6.4.1 Low Rate – DLTS 6.4.2 Laplace-DLTS 6.4.3 thermisch aktivierter Einfang von E3’ 6.5 Einfluss thermischer Nachbehandlung 6.6 Einfluss der Züchtungstemperatur 6.7 Die Meyer-Neldel Regel 6.8 E7, TH1 und T4 in ZnO – DLOS 6.8.1 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Volumenkristall 6.8.2 Raumtemperatur DLOS des ZnO-Dünnfilm 6.8.3 DLOS-Messungen bei tiefen Temperaturen 6.9 Optische Anregung von E3’ in ZnO-Dünnfilmen 7 Defekte in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.1 (Mg,Zn)O-Dünnfilme auf a-Saphir 7.2 Photolumineszenz 7.3 XRD 7.4 DLTS-Untersuchungen 7.5 E3 in verspannten (Mg,Zn)O-Filmen 7.6 DLOS – T4 und TH1 in (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 7.7 Zusammenfassung 8 Einfluss der Wachtumsorientierung auf die Defektstruktur von ZnO-Dünnfilmen 8.1 ZnO-Dünnfilme auf a-, m- und r-Saphir 8.2 Strukturelle Eigenschaften 8.3 Photolumineszenz 8.4 Elektrische Eigenschaften 8.5 Defektsignaturen III Charakterisierung strahlungsinduzierter Defekte 9 Protonenbestrahlung an (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.1 Der E4-Defekt in ZnO – Stand der Literatur 9.2 E4 in polaren (Mg,Zn)O-Dünnfilmen 9.2.1 Probenaufbau und Protonenbestrahlung 9.2.2 Elektrische Eigenschaften 9.2.3 DLTS-Untersuchungen 9.3 E4 in unpolaren ZnO-Dünnfilmen 9.4 Zusammenfassung 10 Defekte in Argon-implantierten ZnO-Dünnfilmen 10.1 Probenstruktur und Ionenimplantation 10.2 Thermische DLTS 10.3 DLTS mit monochromatischer Anregung 11 Defekte in Zn- und O-implantierten ZnO-Dünnfilmen 11.1 Proben und Ionenimplantation 11.2 Nettodotierkonzentration 11.3 Thermische DLTS 11.4 DLOS 11.5 Defekte mit geringen Konzentrationen – E470 und E390 12 Zusammenfassung und Ausblick

First principle electronic structure theory is used to describe the effect of crystal binding on radiation detectors, electron transport properties, and structural damage induced by intense irradiation. A large database containing general electronic structure results to which data mining algorithms can be applied in the search for new functional materials, a case study is presented for scintillator detector materials. Inelastic cross sections for the generation of secondary electron cascades through impact ionization are derived from the dielectric response of an electron gas and evolved in time with Molecular Dynamics (MD). Qualitative and quantitive estimates are presented for the excitation and relaxation of a sample irradiated with Free Electron Laser pulses. A study is presented in where the structural damage on covalent bonded crystals following intense irradiation is derived from a Tight Binding approach and evolved in time with MD in where the evolution of the sample is derived from GW theory for the quasiparticle spectra and a dedicated Boltzmann transport equation for the impact ionization.