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.

Ein vielversprechendes Design für organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) verwendet eine Wirt-Gast-Strategie durch Dispergieren einer kleinen Menge eines hocheffizienten Emitters (der Gast) in eine passende Transportmatrix (der Wirt). Die Aufgabe des Wirts ist den Exzitonentranport zum Emitter sicherzustellen und den Zerfall von Triplet-Exzitonen zu verhindern, und damit eine hohe Bauteilperformance zu erreichen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Molekülstruktur und optoelektrischer Eigenschaften von Carbazol/Dibenzothiophen-Derivaten. Die Untersuchung umfasst sieben dieser Derivate für den Wirt, bei denen die Carbazoleinheit als Donator und die Dibenzothiopheneinheit als Akzeptor fungiert, wobei beide durch einen oder mehrere Phenylabstandshalter verbunden sind. Diese Wahl der Wirtsmaterialien erlaubt es den Einfluss der erweiterten Phenylabstandshalter und der unterschiedlichen molaren Verhältnisse von Akzeptor zu Donator zu untersuchen. Es ergab sich, dass eine kürzere Phenylabstandshalterlänge die Bauteilperformance durch eine größere Löcher- und Elektronendichte in der Emitterschicht verbessert; und ein 1:1 Carbazol-zu-Dibenzothiophen-Verhältnis der Bauteilperformance zuträglich ist, da es zu einem Ladungsträgergleichgewicht in der Emitterschicht führt. Diese Arbeit zeigt, unter Verwendung dieser Wirtsmaterialien, blaue FIrpic-basierte phosphoreszierende OLEDs (PhOLEDs) und grüne 4CzIPN-basierte thermisch aktivierte verzögerte Phosphoreszenz (TADF) OLEDs. Die blauen PhOLEDs und grünen TADF OLEDs mit mDCP zeigten Effizienzen von 43 cd/A (18.6%) beziehungsweise 66 cd/A (21%). / A particularly interesting organic light-emitting diodes (OLEDs) design adopts a host-guest strategy by dispersing a small amount of highly efficient emitter (the guest) into an appropriate transport matrix (the host). The host is utilized to transfer excitons to the emitter and to prevent triplet exciton quenching, thus high device performance can be achieved. The present thesis focuses on the relationship between the molecular structure and opto-electrical properties of carbazole/dibenzothiophene derivatives. The investigation encompasses seven of these derivatives for the host, in which the carbazole unit acts as a donor and the dibenzothiophene as an acceptor while they are linked through phenyl spacer(s). This choice of host materials enables to assess the impact of extended phenyl spacers and different acceptor to donor molar ratios. It was found that decreasing the phenyl spacer length enhances the device performance due to the larger both hole and electron densities in the emitting layer; and a 1:1 carbazole to dibenzothiophene ratio is favorable for device performance, since it balances the charge carriers in the emitting layer. Using these host materials, the work presented in this thesis demonstrates high-performance blue FIrpic-based phosphorescent OLEDs (PhOLEDs) and green 4CzIPN-based thermally activated delayed fluorescence (TADF) OLEDs. The blue PhOLEDs and green TADF OLEDs with mDCP showed efficiencies of 43 cd/A (18.6%) and 66 cd/A (21%), respectively.

Halbleiter-Nanosäulen (auch -Nanodrähte) werden als Baustein für Leuchtdioden (LEDs) untersucht. Herkömmliche LEDs aus Galliumnitrid (GaN) bestehen aus mehreren Kristallschichten auf einkristallinen Substraten. Ihr Leistungsvermögen wird durch Gitterfehlpassung und dadurch hervorgerufene Verspannung, piezoelektrische Felder und Kristallfehler beschränkt. GaN-Nanosäulen können ohne Kristallfehler auf Fremdsubstraten gezüchtet werden. Verspannung wird in Nanosäulen elastisch an der Oberfläche abgebaut, dadurch werden Kristallfehler und piezoelektrische Felder reduziert. In dieser Arbeit wurden GaN-Nanosäulen durch Molukularstrahlepitaxie katalysatorfrei gezüchtet. Eine Machbarkeitsstudie über das Kristallwachstum von Halbleiter-Nanosäulen auf Metall zeigt, dass GaN-Nanosäulen in hoher Kristallqualität ohne einkristallines Substrat epitaktisch auf Titanschichten gezüchtet werden können. Für das Wachstum axialer (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen in Nanosäulen wurden quantitative Modelle entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Nanosäulen-LEDs auf Silizium-Wafern zeigt, dass dadurch eine Kontrolle der Emissionswellenlänge erreicht wird. Die Gitterverspannung der Heterostrukturen in Nanosäulen ist ungleichmäßig aufgrund des Spannungsabbaus an den Seitenwänden. Das katalysatorfreie Zuchtverfahren führt zu weiteren statistischen Schwankungen der Nanosäulendurchmesser und der Abschnittlängen. Die entstandene Zusammensetzung und Verspannung des (In,Ga)N-Mischkristalls wird durch Röntgenbeugung und resonant angeregte Ramanspektroskopie ermittelt. Infolge der Ungleichmäßigkeiten erfordert die Auswertung genaue Simulationsrechnungen. Eine einfache Näherung der mittleren Verspannung einzelner Abschnitte kann aus den genauen Rechnungen abgeleitet werden. Gezielte Verspannungseinstellung erfolgt durch die Wahl der Abschnittlängen. Die Wirksamkeit dieses allgemeingültigen Verfahrens wird durch die Bestimmung der Verspannung von (In,Ga)N-Abschnitten in GaN-Nanosäulen gezeigt. / Semiconductor nanowires are investigated as a building block for light-emitting diodes (LEDs). Conventional gallium nitride (GaN) LEDs contain several crystal films grown on single crystal substrates, and their performance is limited by strain-induced piezoelectric fields and defects arising from lattice mismatch. GaN nanowires can be obtained free of defects on foreign substrates. In nanowire heterostructures, the strain arising from lattice mismatch can relax elastically at the free surface. Crystal defects and piezoelectric fields can thus be reduced. In this thesis, GaN nanowires are synthesized in the self-induced way by molecular beam epitaxy. A proof-of-concept study for the growth of semiconductor nanowires on metal shows that GaN nanowires grow epitaxially on titanium films. GaN of high crystal quality is obtained without a single crystal substrate. Quantitative models for the growth of axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures are developed. The successful fabrication of nanowire LED devices on silicon wafers proves that these models provide control over the emission wavelength. In the (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures, strain is non-uniform due to elastic relaxation at the sidewalls. Additionally, the self-induced growth leads to statistical fluctuations in the diameter and length of the GaN nanowires, and in the thickness of the axial (In,Ga)N segments. The (In,Ga)N crystal composition and lattice strain are analyzed by x-ray diffraction and resonant Raman spectroscopy. Due to the non-uniformity in strain, detailed numerical simulations are required to interpret these measurements. A simple approximation for the average strain in the nanowire segments is derived from the detailed numerical calculation. Strain engineering is possible by defining the nanowire segment lengths. Simulations of resonant Raman spectra deliver the experimental strain of (In,Ga)N segments in GaN nanowires, and give a proof of this universal concept.

Diese Arbeit gibt einen tiefgehenden Einblick in verschiedene Aspekte von auf (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen basierenden Leuchtdioden (LEDs), mittels Molekularstrahlepitaxie entlang der Achse von Nanodrähten (NWs) auf Si Substraten gewachsen. Insbesondere wurden die Wachstumsparameter angepasst, um eine Koaleszierung der Nanodrähte zu vermindern. Auf diese Weise konnte die durch die NW-LEDs emittierte Intensität der Photolumineszenz (PL) um einen Faktor zehn erhöht werden. Die opto-elektronischen Eigenschaften von NW-LEDs konnten durch die Verwendung von Indiumzinoxid, anstatt von Ni/Au als Frontkontakt, verbessert werden. Zudem wurde demonstriert, dass auch selektives Wachstum (SAG) von GaN NWs auf AlN gepufferten Si Substraten mit einer guten Leistungsfähigkeit von Geräte vereinbar ist und somit als Wegbereiter für eine neue Generation von NW-LEDs auf Si dienen kann. Weiterhin war es möglich, strukturierte Felder von ultradünnen NWs durch SAG und thermische in situ Dekomposition herzustellen. In den durch die NW-LEDs emittierten Elektrolumineszenzspektren (EL) wurde eine Doppellinenstruktur beobachtet, die höchstwahrscheinlich von den kompressiven Verspannungen im benachbarten Quantentopf, durch die Elektronensperrschicht verursachten, herrührt. Die Analyse von temperaturabhängigen PL- und EL-Messungen zeigt, dass Ladungsträgerlokalisierungen nicht ausschlaggebend für die EL-Emission von NW-LEDs sind. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken (I-V) von NW-LEDs unter Vorwärtsspannung wurden mittels eines Modells beschrieben, in das die vielkomponentige Natur der LEDs berücksichtigt wird. Die unter Rückwärtsspannung aktiven Transportmechanismen wurden anhand von Kapazitätstransientenmessungen und temperaturabhänigigen I-V-Messungen untersucht. Dann wurde ein physikalisches Modell zur quantitativen Beschreibung der besonderen I-V-T Charakteristik der untersuchten NW-LEDs entwickelt. / This PhD thesis provides an in-depth insight on various crucial aspects of light-emitting diodes (LEDs) based on (In,Ga)N/GaN heterostructures grown along the axis of nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy on Si substrates. In particular, the growth parameters are adjusted so as to suppress the coalescence of NWs; in this way the photoluminescence (PL) intensity emitted from the NW-LEDs can be increased by about ten times. The opto-electronic properties of the NW-LEDs can be further improved by exclusively employing indium tin oxide instead of Ni/Au as top contact. Furthermore, the compatibility of selective-area growth (SAG) of GaN NWs on AlN-buffered Si substrates with device operation is demonstrated, thus paving the way for a new generation of LEDs based on homogeneous NW ensembles on Si. Ordered arrays of ultrathin NWs are also successfully obtained by combining SAG and in situ post-growth thermal decomposition. A double-line structure is observed in the electroluminescence (EL) spectra emitted by the NW-LEDs; it is likely caused by compressive strain introduced by the (Al,Ga)N electron blocking layer in the neighbouring (In,Ga)N quantum well. An in-depth analysis of temperature dependent PL and EL measurements indicates that carrier localization phenomena do not dominate the EL emission properties of the NW-LEDs. The forward bias current-voltage (I-V) characteristics of different NW-LEDs are analysed by means of an original model that takes into account the multi-element nature of LEDs based on NW ensembles by assuming a linear dependence of the ideality factor on applied bias. The transport mechanisms in reverse bias regime are carefully studied by means of deep level transient spectroscopy (DLTS) and temperature dependent I-V measurements. The physical origin of the detected deep states is discussed. Then, a physical model able to describe quantitatively the peculiar I-V-T characteristics of NW-LEDs is developed.