Erstmalig wurden für die VGF-Züchtung von GaAs-Kristallen die verschiedenen Möglichkeiten der Beeinflussung der Kohlenstoffkonzentration untersucht und Möglichkeiten zu deren zielstrebigen Einstellung aufgezeigt. Dies eröffnet auch für die so gezüchteten Kristalle den semi-isolierenden Widerstandsbereich bei niedrigkompensiertem GaAs technologisch sicher einstellen zu können. Anhand umfangreicher experimenteller Daten und thermodynamischer Betrachtungen werden die komplexen Zusammenhänge untersucht und Lösungswege für die technologische Beherrschung aufgezeigt. Das auf die experimentellen Daten angewendete Modell erzeugte die notwendigen Regelparameter für einen gradientenfreien Verlauf der Kohlenstoffkonzentration entlang der Kristallachse. Die Ergebnisse der Dissertation konnten in eine industrielle Fertigungstechnologie übertragen werden.

ZnO-based semiconductors were studied by Raman spectroscopy and complementary methods (e.g. XRD, EPS) with focus on semimagnetic alloying with transition metal ions, doping (especially p-type doping with nitrogen as acceptor), and nanostructures (especially wet-chemically synthesized nanoparticles). / ZnO-basierte Halbleiter wurden mittels Ramanspektroskopie und komplementärer Methoden (z.B. XRD, EPS) untersucht mit den Schwerpunkten semimagnetische Legierung mit Übergangsmetallen, Dotierung (vor allem p-Dotierung mit Stickstoff als Akzeptor) und Nanostrukturen (vor allem nass-chemisch hergestellte Nanopartikel).

The progress in device performance of modern microelectronic technology is mainly driven by down-scaling. In the near future, this road will probably reach a point where physical limits make even more down-scaling impossible. The substitution of single components materialwise over the last decades, like high-k dielectrics or metal gates, has been a suitable approach to foster performance improvements. In this scheme, the integration of high-mobility III-V compound semiconductors as channel materials into Si technology is a promising route to follow for the next one or two device generations. III-V integration, today, is conventionally performed by using techniques like molecular beam epitaxy or wafer bonding which utilize solid phase crystallization but suffer to strain due to the lattice mismatch between III-V compounds and Si. An alternative approach using sequential ion beam implantation in combination with a subsequent flash lamp annealing is presented in this work. Using this technique, nanocrystals from various III-V compounds have been successfully integrated into bulk Si and Ge as well as into thin Si layers which used either SOI substrates or were grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition. The III-V compounds which have been fabricated are GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, GaSb and InxGa1-xAs with variable composition. The structural properties of these nanocrystals have been investigated by Rutherford backscattering, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, including bright-field, dark-field, high-resolution, high-angle annular dark-field and scanning mode imaging, electron-dispersive x-ray spectroscopy and energy-filtered element mapping. Furthermore, Raman spectroscopy and X-ray diffraction have been performed to characterise the nanocrystals optically. In Raman spectroscopy, the characteristic transversal and longitudinal optical phonon modes of the different III-V compounds have been observed. These signals proof that the nanocrystals have formed by the combination of ion implantation and flash lamp annealing. Additionally, the appearance of the typical phonon modes of the respective substrate materials verifies recrystallization of the substrate by the flash lamp after amorphisation during implantation. In the bulk Si samples, the nanocrystals have a circular or rectangular lateral shape and they are randomly distributed at the surface. Their cross-section has either a hemispherical or triangular shape. In bulk Ge, there are two types of precipitates: one at the surface with arbitrary shape and another one buried with circular shape. For the thin film samples, the lateral shape of the nanocrystals is more or less arbitrary and they feature a block-like cross-section which is limited in height by the Si layer thickness. Regarding crystalline quality, the nanocrystals in all samples are mainly single-crystalline with only a few number of stacking faults. However, the crystalline quality in the bulk samples is slightly better than in the thin films. The X-ray diffraction measurements display the (111), (220) and (311) Bragg peaks for InAs and GaAs as well as for the InxGa1-xAs where the peaks shift with increasing In content from GaAs towards InAs. The underlying formation mechanism is identified as liquid phase epitaxy. Hereby, the ion implantation leads to an amorphisation of the substrate material which is then molten by the subsequent flash lamp annealing. This yields a homogeneous distribution of the implanted elements within the melt due to their strongly increased diffusivity in the liquid phase. Afterwards, the substrate material starts to recrystallize at first and an enrichment of the melt with group-III and group-V elements takes place due to segregation. When the temperature is low enough, the III-V compound semiconductor starts to crystallize using the recrystallized substrate material as a template for epitaxial growth. In order to gain control over the lateral nanocrystal distribution, an implantation mask of either aluminium or nickel is introduced. Using this mask, only small areas of the samples are implanted. After flash lamp treatment, nanocrystals form only in these small areas, which allows precise positioning of them. An optimal implantation window size with an edge length of around 300nm has been determined to obtain one nanocrystal per implanted area. During an additional experiment, the preparation of Si nanowires using electron beam lithography and reactive ion etching has been conducted. Hereby, two different processes have been investigated; one using a ZEP resist, a lift-off step and a Ni hard mask and another one using a hydrogen silsesquioxane resist which is used directly as a mask for etching. The HSQ-based process turned out to yield Si nanowires of better quality. Combining both, the masked implantation and the Si nanowire fabrication, it might be possible to integrate a single III-V nanocrystal into a Si nanowire to produce a III-V-in-Si-nanowire structure for electrical testing. / Der Fortschritt in der Leistungsfähigkeit der Bauelemente moderner Mikroelektroniktechnologie wird hauptsächlich durch das Skalieren vorangetrieben. In naher Zukunft wird dieser Weg wahrscheinlich einen Punkt erreichen, an dem physikalische Grenzen weiteres Herunterskalieren unmöglich machen. Der Austausch einzelner Teile auf Materialebene, wie Hoch-Epsilon-Dielektrika oder Metall-Gate-Elektroden, war während der letzten Jahrzehnte ein geeigneter Ansatz, um die Leistungsverbesserung voranzubringen. Nach diesem Schema ist die Integration von III-V-Verbindungshalbleiter mit hoher Mobilität ein vielversprechender Weg, dem man für die nächsten ein oder zwei Bauelementgenerationen folgen kann. Heutzutage erfolgt die III-V-Integration konventionell mit Verfahren wie der Molekularstrahlepitaxie oder dem Waferbonden, welche die Festphasenkristallisation nutzen, die aber aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen III-V-Verbindungen und Silizium an Verspannungen leiden. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ansatz präsentiert, welcher die sequenzielle Ionenstrahlimplantation in Verbindung mit einer darauffolgenden Blitzlampentemperung ausnutzt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden Nanokristalle verschiedener III-V-Verbindungshalbleiter erfolgreich in Bulksilizium- und -germaniumsubstrate sowie in dünne Siliziumschichten integriert. Für die dünnen Schichten wurden hierbei entweder SOI-Substrate verwendet oder sie wurden mittels plasmagestützer chemischer Gasphasenabscheidung gewachsen. Die hergestellten III-V-Verbindungen umfassen GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb und InxGa1-xAs mit veränderbarer Zusammensetzung. Die strukturellen Eigenschaften dieser Nanokristalle wurden mit Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Bei der Transmissionelektronenmikroskopie wurden die Hellfeld-, Dunkelfeld-, hochauflösenden, “high-angle annular dark-field” und Rasteraufnahmemodi sowie die energiedispersive Röntgenspektroskopie und die energiegefilterte Elementabbildung eingesetzt. Darüber hinaus wurden Ramanspektroskopie- und Röntgenbeugungsmessungen durchgeführt, um die Nanokristalle optisch zu charakterisieren. Mittels Ramanspektroskopie wurden die charakteristischen transversal- und longitudinal-optischen Phononenmoden der verschiedenen III-V-Verbindungen beobachtet. Diese Signale beweisen, dass sich unter Verwendung der Kombination von Ionenstrahlimplantation und Blitzlampentemperung Nanokristalle bilden. Weiterhin zeigt das Vorhandensein der typischen Phononenmoden der jeweiligen Substratmaterialien, dass die Substrate aufgrund der Blitzlampentemperung rekristallisiert sind, nachdem sie durch Ionenimplantation amorphisiert wurden. In den Bulksiliziumproben besitzen die Nanokristalle eine kreisförmige oder rechteckige Kontur und sind in zufälliger Anordnung an der Oberfläche verteilt. Ihr Querschnitt zeigt entweder eine Halbkugel- oder dreieckige Form. Im Bulkgermanium gibt es zwei Arten von Ausscheidungen: eine mit willkürlicher Form an der Oberfläche und eine andere, vergrabene mit sphärischer Form. Betrachtet man die Proben mit den dünnen Schichten, ist die laterale Form der Nanokristalle mehr oder weniger willkürlich und sie zeigen einen blockähnlichen Querschnitt, welcher in der Höhe durch die Siliziumschichtdicke begrenzt ist. Bezüglich der Kristallqualität sind die Nanokristalle in allen Proben mehrheitlich einkristallin und weisen nur eine geringe Anzahl an Stapelfehlern auf. Jedoch ist die Kristallqualität in den Bulkmaterialien ein wenig besser als in den dünnen Schichten. Die Röntgenbeugungsmessungen zeigen die (111), (220) und (311) Bragg-Reflexe des InAs und GaAs sowie des InxGa1-xAs, wobei sich hier die Signalpositionen mit steigendem Gehalt an Indium von GaAs zu InAs verschieben. Als zugrundeliegender Bildungsmechanismus wurde die Flüssigphasenepitaxie identifiziert. Hierbei führt die Ionenstrahlimplantation zu einer Amorphisierung des Substratmaterials, welches dann durch die anschließende Blitzlampentemperung aufgeschmolzen wird. Daraus resultiert eine homogene Verteilung der implantierten Elemente in der Schmelze, da diese eine stark erhöhte Diffusivität in der flüssigen Phase aufweisen. Danach beginnt zuerst das Substratmaterial zu rekristallisieren und es kommt aufgrund von Segregationseffekten zu einer Anreicherung der Schmelze mit den Gruppe-III- und Gruppe-V-Elementen. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, beginnt auch der III-V-Verbindungshalbleiter zu kristallisieren, wobei er das rekristallisierte Substratmaterial als Grundlage für ein epitaktisches Wachstum nutzt. In der Absicht Kontrolle über die laterale Verteilung der Nanokristalle zu erhalten, wurde eine Implantationsmaske aus Aluminium beziehungsweise Nickel eingeführt. Durch die Benutzung einer solchen Maske wurden nur kleine Bereiche der Proben implantiert. Nach der Blitzlampentemperung werden nur in diesen kleinen Bereichen Nanokristalle gebildet, was eine genaue Positionierung dieser erlaubt. Es wurde eine optimale Implantationsfenstergröße mit einer Kantenlänge von ungefähr 300 nm ermittelt, damit sich nur ein Nanokristall pro implantierten Bereich bildet. Während eines zusätzlichen Experiments wurde die Präparation von Siliziumnanodrähten mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie und reaktivem Ionenätzen durchgeführt. Hierbei wurden zwei verschiedene Prozesse getestet: einer, welcher einen ZEP-Lack, einen Lift-off-Schritt und eine Nickelhartmaske nutzt, und ein anderer, welcher einen HSQ-Lack verwendet, der wiederum direkt als Maske für die Ätzung dient. Es stellte sich heraus, dass der HSQ-basierte Prozess Siliziumnanodrähte von höherer Qualität liefert. Kombiniert man beides, die maskierte Implantation und die Siliziumnanodrahtherstellung, miteinander, sollte es möglich sein, einzelne III-V-Nanokristalle in einen Siliziumnanodraht zu integrieren, um eine III-V-in-Siliziumnanodrahtstruktur zu fertigen, welche für elektrische Messungen geeignet ist.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt. / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.

Trotz der im Vergleich zu Silizium überragenden elektronischen Eigenschaften von Verbindungshalbleitern, ist die Leistung der daraus gefertigten elektrischen Bauelemente aufgrund der vorhandenen, die elektronischen Materialeigenschaften beeinflussenden Defekte nach wie vor begrenzt. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das bestehende ökonomische Interesse an einem besseren Verständnis der die Bauelementeleistung limitierenden Defekte zu befriedigen, indem sie die Auswirkungen dieser Defekte auf die elektronischen und optischen Materialeigenschaften von Indiumphosphid (InP) und Siliziumkarbid (SiC) aufzeigt. Zur Klärung der Effekte finden in der Arbeit sich ergänzende elektrische und optische Charakterisierungsmethoden Anwendung, von denen die meisten kontaktlos und zerstörungsfrei arbeiten und sich daher prinzipiell auch für Routineanalysen eignen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen und ergänzen Literaturdaten zum Defektinventar in InP und SiC nutzbringend. So wird insbesondere das Potential der elektrischen Charakterisierung mittels MDP und MD-PICTS, welche in der Arbeit erstmals für die Defektcharakterisierung von InP und SiC eingesetzt wurden, nachgewiesen. Die experimentellen Studien werden dabei bedarfsorientiert durch eine theoretische Betrachtung des entsprechenden Signalentstehungsmechanismuses ergänzt.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References / Although the electronic properties of compound semiconductors exceed those of Silicon, the performance of respective electronic devices still is limited. This is due to the presence of various growth-induced defects in compound semiconductors. In order to satisfy the economic demand of an improved insight into limiting defects this thesis contributes to a better understanding of material inherent defects in commonly used Indium Phosphide (InP) and Silicon Carbide (SiC) by revealing their effects on electronic and optical material properties. On that account various complementary electrical and optical characterization techniques have been applied to both materials. Most of these techniques are non-contacting and non-destructive. So, in principle they are qualified for routine application. Characterization results that are obtained with these techniques are shown to either confirm published results concerning defects in InP and SiC or beneficially complement them. Thus, in particular the potential of electrical characterization by MDP and MD-PICTS measurements is proofed. Both techniques have been applied for the first time for defect characterization of InP and SiC during these studies. The respective experiments are complemented by a theoretical consideration of the corresponding signal development mechanism in order to develop an explanation approach for occasionally occurring experimental imperfection also arising during silicon characterization from time to time.:1 Motivation 2 Theses 3 Compound semiconductors: structure and benefits 4 Growth of compound semiconductors 5 Structural defects in compound semiconductors 6 Defects and their impact on electronic material properties 7 Effect of annealing treatments on the properties of InP 8 Experimental details 9 Experimental results 10 Summary of the thesis 11 Conclusion and impact 12 Prospect of future work 13 Appendix - Theory of signal development 14 List of tables 15 List of figures 16 List of abbreviations and symbols 17 Eidesstattliche Erklärung - Declaration of academic honesty 18 Danksagung - Acknowledgment 19 Veröffetnlichungen - Publications 20 References

The change of the spontaneous polarization due to a change of temperature is known as the pyroelectric effect and is restricted to crystalline, non-centrosymmetric and polar matter. Its main application is the utilization in infrared radiation sensors, but usage for waste heat energy harvesting or chemical catalysis is also possible. A precise quantification, i.e. the measurement of the pyroelectric coefficient p, is inevitable to assess the performance of a material. Hence, a comprehensive overview is provided in this work, which summarizes and evaluates the available techniques to characterize p. A setup allowing the fully automated measurement of p by utilizing the Sharp-Garn method and the measurement of ferroelectric hysteresis loops is described. It was used to characterize and discuss the behavior of p with respect to the temperature of the doped bulk III-V compound semiconductors gallium nitride and aluminum nitride and thin films of doped hafnium oxide, as reliable data for these materials is still missing in the literature. Here, the nitride-based semiconductors show a comparable small p and temperature dependency, which is only slightly affected by the incorporated dopant, compared to traditional ferroelectric oxides. In contrast, p of HfO2 thin films is about an order of magnitude larger and seems to be affected by the present dopant and its concentrations, as it is considered to be responsible for the formation of the polar orthorhombic phase.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments / Die Änderung der spontanen Polarisation durch eine Änderung der Temperatur ist bekannt als der pyroelektrische Effekt, welcher auf kristalline, nicht-zentrosymmetrische und polare Materie beschränkt ist. Er findet vor allem Anwendung in Infrarot-Strahlungsdetektoren, bietet aber weitere Anwendungsfelder wie die Niedertemperatur-Abwärmenutzung oder die chemische Katalyse. Eine präzise Quantifizierung, d. h. die Messung des pyroelektrischen Koeffizienten p, ist unabdingbar, um die Leistungsfähigkeit eines Materials zu bewerten. Daher bietet diese Arbeit u.a. einen umfassenden Überblick und eine Bewertung der verfügbaren Messmethoden zur Charakterisierung von p. Weiterhin wird ein Messaufbau beschrieben, welcher die voll automatisierte Messung von p mit Hilfe der Sharp-Garn Methode und auch die Charakterisierung der ferroelektrischen Hystereseschleife ermöglicht. Aufgrund fehlerender Literaturdaten wurde dieser Aufbau anschließend genutzt, um den temperaturabhängigen pyroelektrischen Koeffizienten der dotierten III-V-Verbindungshalbleiter Gallium- und Aluminiumnitrid sowie dünner Schichten bestehend aus dotiertem Hafniumoxid zu messen und zu diskutieren. Im Vergleich zu klassichen ferroelektrischen Oxiden zeigen dabei die nitridbasierten Halbleiter einen geringen pyroelektrischen Koeffizienten und eine kleine Temperaturabhängigkeit, welche auch nur leicht durch den vorhandenen Dotanden beeinflusst werden kann. Dagegen zeigen dünne Hafniumoxidschichten einen um eine Größenordnung größeren pyroelektrischen Koeffizienten, welcher durch den anwesenden Dotanden und seine Konzentration beeinflusst wird, da dieser verantwortlich für die Ausbildung der polaren, orthorhombischen Phase gemacht wird.:1. Motivation and Introduction 2. Fundamentals 2.1. Dielectrics and their Classification 2.2. Polarization 2.3. Pyroelectricity 2.4. Ferroelectricty 2.5. Phase Transitions 2.6. Applications and Figures of Merit 3. Measurement Methods for the Pyroelectric Coefficient 3.1. General Considerations 3.1.1. Heating Concepts 3.1.2. Thermal Equilibrium 3.1.3. Electric Contact 3.1.4. Separation of Contributions 3.1.5. Thermally Stimulated Currents 3.2. Static Methods 3.2.1. Charge Compensation Method 3.2.2. Hysteresis Measurement Method 3.2.3. Direct Electrocaloric Measurement 3.2.4. Flatband Voltage Shift 3.2.5. X-ray Photoelectron Spectroscopy Method 3.2.6. X-ray Diffraction and Density Functional Theory 3.3. Dynamic Methods 3.3.1. Temperature Ramping Methods 3.3.2. Optical Methods 3.3.3. Periodic Pulse Technique 3.3.4. Laser Intensity Modulation Methods 3.3.5. Harmonic Waveform Techniques 4. Pyroelectric and Ferroelectric Characterization Setup 4.1. Pyroelectric Measurement Setup 4.1.1. Setup and Instrumentation 4.1.2. Automated Sharp-Garn Evaluation of Pyroelectric Coefficients 4.1.3. Further Examples 4.2. Hysteresis Loop Measurements 4.2.1. Instrumentation 4.2.2. Measurement and Evaluation 4.2.3. Examples 5. Investigated Material Systems 5.1. III-Nitride Bulk Semiconductors GaN and AlN 5.1.1. General Structure and Spontaneous Polarization 5.1.2. Applications 5.1.3. Crystal Growth and Doping 5.1.4. Pyroelectricity 5.2. Hafnium Oxide Thin Films 5.2.1. General Structure and Applications 5.2.2. Polar Properties in Thin Films 5.2.3. Doping Effects 5.2.4. Pyro- and Piezoelectricity 6. Results 6.1. The Pyroelectric Coefficient of Free-standing GaN and AlN 6.1.1. Sample Preparation 6.1.2. Pyroelectric Measurements 6.1.3. Lattice Influence 6.1.4. Slope Differences 6.2. Pyroelectricity of Doped Hafnium Oxide 6.2.1. Sharp-Garn Measurement on Thin Films 6.2.2. Effects of Silicon Doping 6.2.3. Dopant Comparison 7. Summary and Outlook A. Pyroelectric Current and Phase under Periodic Thermal Excitation B. Loss Current Correction for Shunt Method C. Conductivity Correction D. Comparison of Pyroelectric Figures of Merit Bibliography Publication List Acknowledgments

Verbindungshalbleiter mit einer großen Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) sind aufgrund ihrer hervorragenden elektronischen Eigenschaften für die Halbleiterindustrie von großem Interesse. Die Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie, die auf dem physikalischen Gasphasentransport von Gallium basiert, ist eine alternative Methode der Gasphasenepitaxie von GaN. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen die Weiterentwicklung der Methode hinsichtlich der Verringerung der Kontamination und die Reduzierung der Versetzungsdichte in den GaN-Schichten. Dazu wurde eine neue Verdampfungszelle entwickelt und die komplexen, mehrstufigen Nukleations- und Wachstumsprozesse systematisch untersucht. Insgesamt wurden zu kommerziell verfügbaren GaN-Schichten vergleichbare Defektdichten erreicht. Zusätzlich wurde die Methode zur Abscheidung auf Saphir-Substraten mit einem Durchmesser von bis zu 2 Zoll aufskaliert.

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

Semiconductor quantum dots (QDs) are fascinating systems for potential applications in quantum information processing and communication, since they can emit single photons and polarisation entangled photons pairs on demand. The asymmetry and inhomogeneity of real QDs has driven the development of a universal and fine post-growth tuning technique. In parallel, new growth methods are desired to create QDs with high emission efficiency and to control combinations of closely-spaced QDs, so-called "QD molecules" (QDMs). These systems are crucial for the realisation of a scalable information processing device after a tuning of their interaction energies. In this work, GaAs/AlGaAs QDs with low surface densities, high optical quality and widely tuneable emission wavelength are demonstrated, by infilling nanoholes fabricated by droplet etching epitaxy with different GaAs amounts. A tuning over a spectral range exceeding 10 meV is obtained by inducing strain in the dot layer. These results allow a fine tuning of the QD emission to the rubidium absorption lines, increasing the yield of single photons that can be used as hybrid semiconductor-atomic-interface. By embedding InGaAs/GaAs QDs into diode-like nanomembranes integrated onto piezoelectric actuators, the first device allowing the QD emission properties to be engineered by large electroelastic fields is presented. The two external fields reshape the QD electronic properties and allow the universal recovery of the QD symmetry and the generation of entangled photons, featuring the highest degree of entanglement reported to date for QD-based photon sources. A method for controlling the lateral QDM formation over randomly distributed nanoholes, created by droplet etching epitaxy, is demonstrated by depositing a thin GaAs buffer over the nanoholes. The effect on the nanohole occupancy of the growth parameters, such as InAs amount, substrate temperature and arsenic overpressure, is investigated as well. The QD pairs show good optical quality and selective etching post-growth is used for a better characterisation of the system. For the first time, the active tuning of the hole tunnelling rates in vertically aligned InGaAs/GaAs QDM is demonstrated, by the simultaneous application of electric and strain fields, optimising the device concept developed for the single QDs. This result is relevant for the creation and control of entangled states in optically active QDs. The modification of the electronic properties of QDMs, obtained by the combination of the two external fields, may enable controlled quantum operations.

Semiconductor quantum dots (QDs) are fascinating systems for potential applications in quantum information processing and communication, since they can emit single photons and polarisation entangled photons pairs on demand. The asymmetry and inhomogeneity of real QDs has driven the development of a universal and fine post-growth tuning technique. In parallel, new growth methods are desired to create QDs with high emission efficiency and to control combinations of closely-spaced QDs, so-called "QD molecules" (QDMs). These systems are crucial for the realisation of a scalable information processing device after a tuning of their interaction energies. In this work, GaAs/AlGaAs QDs with low surface densities, high optical quality and widely tuneable emission wavelength are demonstrated, by infilling nanoholes fabricated by droplet etching epitaxy with different GaAs amounts. A tuning over a spectral range exceeding 10 meV is obtained by inducing strain in the dot layer. These results allow a fine tuning of the QD emission to the rubidium absorption lines, increasing the yield of single photons that can be used as hybrid semiconductor-atomic-interface. By embedding InGaAs/GaAs QDs into diode-like nanomembranes integrated onto piezoelectric actuators, the first device allowing the QD emission properties to be engineered by large electroelastic fields is presented. The two external fields reshape the QD electronic properties and allow the universal recovery of the QD symmetry and the generation of entangled photons, featuring the highest degree of entanglement reported to date for QD-based photon sources. A method for controlling the lateral QDM formation over randomly distributed nanoholes, created by droplet etching epitaxy, is demonstrated by depositing a thin GaAs buffer over the nanoholes. The effect on the nanohole occupancy of the growth parameters, such as InAs amount, substrate temperature and arsenic overpressure, is investigated as well. The QD pairs show good optical quality and selective etching post-growth is used for a better characterisation of the system. For the first time, the active tuning of the hole tunnelling rates in vertically aligned InGaAs/GaAs QDM is demonstrated, by the simultaneous application of electric and strain fields, optimising the device concept developed for the single QDs. This result is relevant for the creation and control of entangled states in optically active QDs. The modification of the electronic properties of QDMs, obtained by the combination of the two external fields, may enable controlled quantum operations.