In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Herstellung von Leuchtdioden Strukturen (LEDs) in einzelnen GaN Nanodrähten (ND) und deren Integration mit herkömmlicher Si Technologie untersucht. Hierzu wird zunächst ein generelles Verständnis des Wachstums von GaN ND erarbeitet und dargestellt. Es folgen Untersuchungen zum Einfluss von Dotierstoffen, wie z.B. Mg und Si, auf das Wachstum der ND. Dieses Wissen wird anschließend angewandt um Dotierübergänge in GaN ND herzustellen die nominell n-i-p bzw. p-i-n dotiert sind. Diese Untersuchung brachte die technologisch wichtige Erkenntnis, dass eine p-Dotierung mit Mg am besten erreicht werden kann wenn die ND bereits wohl entwickelt sind. Dies bedeutet, dass der obere Teil der ND LEDs aus p-Typ Material bestehen wird. Eine weitere wichtige Komponente von LEDs ist die aktive Zone in der die Elektron-Loch-Rekombination stattfindet. Im Fall von planaren GaN LEDs wird diese durch Zugabe von In und die Formierung von InGaN hergestellt. Wir untersuchen das Wachstum von InGaN auf Si, GaN NDs und in Form von MQWs, um das Wachstum und insbesondere den In Gehalt unter vielen Bedingungen kontrollieren zu können. Das gesamte Wissen der Voruntersuchungen wird kombiniert und für das Ziel dieser Arbeit nutzbar gemacht: Die Herstellung von GaN ND basierten LEDs. Diese Strukturen werden untersucht und zu einer funktionierenden LED weiter prozessiert. Abschließend wird von den Anstrengungen zur Integration von III-Nitrid LEDs und Si basierter MOSFET Technologie berichtet. Es wird erstmalig erfolgreich die monolithische Integration dieser beiden Bauelemente und ihr gleichzeitiges Funktionieren gezeigt. / This work is concerned with the realization and investigation of a light emitting diode (LED) structure within single GaN nanowires (NWs) and its integration with Si technology. To this end first a general understanding of the GaN NW growth is given. This is followed by investigations of the influence which doping species, such as Mg and Si, have on the growth of the NWs. The experience gathered in these studies set the basis for the synthesis of nominal p-i-n and n-i-p junctions in GaN NWs. Investigations of these structures resulted in the technologically important insight, that p-type doping with Mg is achieved best if it is done in the later NW growth stage. This implies that it is beneficial for a NW LED to place the p-type segment on the NW top. Another important component of an LED is the active zone where electron-hole recombination takes place. In the case of planar GaN LEDs, this is usually achieved by alloying Ga and In to form InGaN. In order to be able to control the growth under a variety of conditions, we investigate the growth of InGaN in the form of extended segments on top of GaN NWs, as well as multi quantum wells (MQWs) in GaN NWs. All the knowledge gained during these preliminary studies is harnessed to reach the overall goal: The realization of a GaN NW LED. Such structures are fabricated, investigated and processed into working LEDs. Finally, a report on the efforts of integrating III-nitride NW LEDs and Si based metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology is given. This demonstrates the feasibility of the monolithic integration of both devices on the same wafer at the same time.

Globale Megatrends erfordern immer flexiblere analytische Messmethoden und Assays. Insbesondere im Umwelt-, Agrar-, Lebensmittel- und Gesundheitssektor sind chemische Assays hier eine geeignete Wahl. Eine Vielzahl solcher Assays steht in akademischen und industriellen Bereichen zur Verfügung. Die Anpassung an neue Verbindungen hingegen ist oft schwierig zu realisieren, da der einzelne Test meist für einen spezifischen Analyten konzipiert ist. Eine modulare, analytische Plattform für die Entwicklung chemischer Assays ist daher sehr wünschenswert. Ein solches System sollte die Möglichkeit einer schnellen und flexiblen Implementierung verschiedener Erkennungstypen für neue Analyten und die Möglichkeit einer Multiparameter-(Multiplex-)Bestimmung in einem robusten und portablen Auslesegerät beinhalten. Einzelpartikel-basierte, chemische Assays haben sich hier als geeignete Lösung erwiesen. In dieser Arbeit stelle ich Polystyrol-Kern-Silikat-Schale-Partikel als modulare, hybride Plattform für die flexible Konfiguration von Einzelpartikel-basierten chemischen Assays vor. Zunächst wurde ein Verfahren entwickelt, das den Zugang zu verschiedenen-Partikelarchitekturen ermöglicht. Diese Partikel wurden für den DNA-Nachweis bis in den fmol-Bereich getestet (Kapitel 2). Ein neues Werkzeug zur Bestimmung der Rauheit der Partikel aus elektronenmikroskopischen Bildern wurde entwickelt und auf das breite Spektrum der im Projekt hergestellten SiO2@PS-Partikel angewendet (Kapitel 3). Damit soll die Grundlage zur Vergleichbarkeit zwischen zukünftigen Partikelcharakterisierungen geschaffen werden. Schließlich wurde ein Multiplex-Assay mit farbstoffkodierten, Protein-abweisenden Partikeln entwickelt, um kleine Moleküle durch immunochemische Reaktionen in einem waschfreien Verfahren nachzuweisen (Kapitel 4). Letzteres verdeutlicht, dass eine hohe analytische Leistung mit neuem Potenzial an flexibler Funktionalität durch die Verwendung hybrider SiO2@PS-Partikel kombiniert werden kann. / Global megatrends such as demographic change, personalization, climate change or urbanization demand for increasingly flexible and mobile analytical measurement methods and assays. Especially in the environmental, agricultural, food and health sectors, chemical assays are a suitable choice. A large variety of such assays is available in the academic and industry area. However, their modification to measure new compounds is time-consuming and laborious, because they are typically designed to detect a specific single analyte. A modular platform for chemical assay development is thus highly desirable. Such a system should include the possibility for fast, easy and flexible implementation of various recognition types towards emerging analytes and the possibility for multi-parameter (multiplexed) detection in a potentially portable fashion. Single particle-based assays have proven to be an adequate solution here. In this work, I present hybrid polystyrene core-silica shell (SiO2@PS) particles as new spherical substrates for the flexible configuration of single particle-based chemical assays. First, a procedure to control the surface topology of the beads was developed, giving access to smooth, raspberry-like or multilayer-like CS structures. These particles were used for DNA detection down to the fmol-level (Chapter 2). A new tool to extract the roughness of the particles from electron microscopy images was developed next and applied to the wide range of CS beads prepared throughout the project (Chapter 3). This general protocol provides the basis for the comparability of future CS particle characterization. Finally, a multiplex assay with dye-encoded beads with non-fouling surfaces was developed to detect small molecules via immunochemical reactions in a wash-free procedure (Chapter 4). The latter ultimately proves that hybrid CS particles can combine high analytical performance and unmatched potential for flexible functionality. / Suspension Array Technology

GaN-Nanodrähte können mit einer hohen strukturellen Perfektion auf verschiedenen kristallinen und amorphen Substraten gewachsen werden. Sie bieten somit faszinierende Möglichkeiten, sowohl zur Untersuchung von fundamentalen Eigenschaften des Materialsystems, als auch in der Anwendung in optoelektronischen Bauteilen. Obwohl bereits verschiedene Prototypen solcher Bauteile vorgestellt wurden, sind viele grundlegende Eigenschaften von GaN-Nanodrähten noch ungeklärt, darunter die interne Quanteneffizienz (IQE), welche ein wichtiges Merkmal für optoelektronische Anwendungen darstellt. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine detaillierte Untersuchung der Rekombinationsdynamik von Exzitonen, in selbst-induzierten und selektiv gewachsenen GaN Nanodraht-Proben, welche mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt wurden. Die zeitaufgelösten Photolumineszenz (PL)-Experimente werden durch Simulationen ergänzt, welche auf Ratengleichungs-Modellen basieren. Es stellt sich heraus, dass die Populationen von freien und gebundenen Exzitonen gekoppelt sind und zwischen 10 und 300 K von einem nichtstrahlenden Kanal beeinflusst werden. Die Untersuchung von Proben mit unterschiedlichem Nanodraht-Durchmesser und Koaleszenzgrad zeigt, dass weder die Nanodraht-Oberfläche, noch Defekte als Folge von Koaleszenz diesen nichtstrahlenden Kanal induzieren. Daraus lässt sich folgern, dass die kurze Zerfallszeit von Exzitonen in GaN-Nanodrähten durch Punktdefekte verursacht wird, welche die IQE bei 10 K auf 20% limitieren. Der häufig beobachtete biexponentiellen PL-Zerfall des Donator-gebundenen Exzitons wird analysiert und es zeigt sich, dass die langsame Komponente durch eine Kopplung mit Akzeptoren verursacht wird. Motiviert durch Experimente, welche eine starke Abhängigkeit der PL-Intensität vom Nanodraht-Durchmesser zeigen, wird die externen Quanteneffizienz von geordneten Nanodraht-Feldern mit Hilfe numerischer Simulationen der Absorption und Extraktion von Licht in diesen Strukturen untersucht. / GaN nanowires (NWs) can be fabricated with a high structural perfection on various crystalline and amorphous substrates. They offer intriguing possibilities for both fundamental investigations of the GaN material system as well as applications in optoelectronic devices. Although prototype devices based on GaN NWs have been presented already, several fundamental questions remain unresolved to date. In particular, the internal quantum efficiency (IQE), an important basic figure of merit for optoelectronic applications, is essentially unknown for GaN NWs. This thesis presents a detailed investigation of the exciton dynamics in GaN NWs using continuous-wave and time-resolved photoluminescence (PL) spectroscopy. Spontaneously formed ensembles and ordered arrays of GaN NWs grown by molecular-beam epitaxy are examined. The experiments are combined with simulations based on the solution of rate equation systems to obtain new insights into the recombination dynamics in GaN NWs at low temperatures. In particular, the free and bound exciton states in GaN NWs are found to be coupled and affected by a nonradiative channel between 10 and 300 K. The investigation of samples with different NW diameters and coalescence degrees conclusively shows that the dominating nonradiative channel is neither related to the NW surface nor to coalescence-induced defects. Hence, we conclude that nonradiative point defects are the origin of the fast recombination dynamics in GaN NWs, and limit the IQE of the investigated samples to about 20% at cryogenic temperatures. We also demonstrate that the frequently observed biexponential decay for the donor-bound exciton originates from a coupling with the acceptor-bound exciton state in the GaN NWs. Motivated by an experimentally observed, strong dependence of the PL intensity of ordered GaN NW arrays on the NW diameter, we perform numerical simulations of the light absorption and extraction to explore the external quantum efficiency of these samples.