Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2001--Dortmund.

Universiẗat, Diss., 2004--Freiberg (Sachsen).

Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2004--Erlangen.

Universiẗat, Diss., 2003--Saarbrücken.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden planare und drahtförmige Heterostrukturen (HS) mit ZnO- und ZnCdO-Quantengräben bezüglich ihrer Lumineszenz untersucht. Die Proben wurden mit der gepulsten Laserabscheidung (PLD) hergestellt. Bei ZnO-basierten drahtförmigen HS mit Durchmessern im Mikro- und Nanometer-Bereich handelt es sich um vielversprechende Kandidaten für miniaturisierte optoelektronische Bauelemente. Da es für viele Anwendungen notwendig ist, dass die Emission des Quantengrabens (QW) in einem breiten Spektralbereich eingestellt werden kann, muss die ZnO-Bandlücke möglichst stark verändert werden können. Durch ZnCdO und MgZnO ist dies möglich. Durch eine Optimierung der Abscheideparameter wurde der für PLD erreichte maximale Cd-Gehalt signifikant auf 0,25 erhöht. Große Mg-Gehalte konnten schon vor der Forschung zur vorliegenden Arbeit mit der PLD realisiert werden. Die planaren HS mit ZnO-Quantengräben wurden vorrangig bezüglich Ihrer Lumines-zenzeigenschaften untersucht. Aufgrund der Orientierung der QW sollten diese zusätzlich zum Quantum-Confinement Effekt den Quantum-Confined Stark Effect (QCSE) zeigen. Der QCSE wurde durch zeitabhängige und anregungsabhängige Lumineszenzmessungen nachgewiesen. In den Mikrodraht (µW)- bzw. Nanodraht (NW)-HS mit ZnO-QW wurde die Emission zwischen 3,4 eV und 3,6 eV bzw. 3,4 eV und 3,7 eV eingestellt. Um HS mit ZnCdO-QW herstellen zu können, war es notwendig, die strukturellen und optischen Eigenschaften sowie die elektronische Struktur von ZnCdO-Dünnfilmen zu untersuchen. Durch einen hohen Cd-Gehalt von 0,25 war es möglich, die Bandlücken-energie um 0,8 eV zu verringern. In planaren HS wurde ZnO bzw. MgZnO als Barriere verwendet und die QW-Emission zwischen 2,5 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,65 eV eingestellt. Es wurde untersucht, ob für HS mit ZnCdO-QW ein QCSE auftritt. Die experimentellen Energien wurden dazu mit berechneten Werten verglichen, die mithilfe einer Effektiv-Masse-Näherung und dem Modell eines endlich tiefen Potentialtopfes bestimmt wurden. In entsprechenden µW- bzw. NW-HS wurde die QW-Emission infolge des Quantum-Confinement Effektes zwischen 2,7 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,4 eV variiert. Da es für die Anwendung von µW- und NW-HS wichtig ist, dass diese eine homogene QW-Emission zeigen, wurde deren spektrale Position entlang der Struktur und für die verschiedenen Facetten der hexagonalen Drähte untersucht. Die Homogenität der Emission ist für die µW-HS kleiner als für die NW-HS.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von weitbandlückigen Halbleitern mittels Raman-Spektroskopie. Diese wurde vorwiegend unter Verwendung von Licht einer Wellenlänge von 325 nm im ultravioletten Spektralbereich angeregt. Damit konnten zum einen aufgrund eines erhöhten Streuquerschnittes Messungen zur Probencharakterisierung durchgeführt werden, die mit Anregung im sichtbaren Spektralbereich nicht möglich gewesen wären. Zum anderen wurden bei dieser Anregungswellenlänge auftretende Resonanzeffekte untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Materialsysteme behandelt: zum einen Kristalle mit Wurtzitstruktur und zum anderen binäre und ternäre Sesquioxide mit Metallionen der III. Hauptgruppe. An den Kristallen mit Wurtzitstruktur wurde die Streuung des Anregungslichts mit Energie oberhalb der Bandlücke an longitudinal-optischen (LO) Phononen untersucht. Die Streuung an einzelnen LO-Phononen wird unter diesen Anregungsbedingungen von einem Prozess dominiert, der eine elastische Streuung beinhaltet, durch die die Impulserhaltung verletzt wird. Es wurde ein Modell aufgestellt, dass zwischen einer elastischen Streuung an der Oberfläche und an Punktdefekten unterscheidet, und mit Hilfe von Experimenten verifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von Ladungsträgern auf die Energie der LO-Phononen untersucht und es wird eine Anwendung dieser Erkenntnisse zur Charakterisierung der Oberfläche von Zinkoxid vorgestellt. An den binären Oxiden des Galliums und Indiums wurden die Energien der Phononenmoden ermittelt und die resonante Verstärkung bei der verwendeten Anregungswellenlänge untersucht. Für das Galliumoxid wurde dabei insbesondere die Anisotropie des Materials berücksichtigt. Für das Indiumoxid wird dargestellt, dass durch die resonante Anregung alle Phononenmoden beobachtet werden können, was insbesondere auch die Bestimmung der Phononenmoden von Dünnschichtproben ermöglicht. Weiterhin waren Mischkristalle des Galliumoxids Untersuchungsgegenstand, in denen das Gallium teilweise durch Indium oder Aluminium ersetzt wurde. Die Phononenenergien wurden in Abhängigkeit der Zusammensetzung ermittelt und der Einfluss von strukturellen Eigenschaften darauf sowie das Auftreten von Phasenübergängen untersucht.

Hydrogen-related defects in single-crystal ZnO and rutile TiO2 are investigated by means of infrared absorption, Raman scattering, photoluminescence and photoconductivity. Four different defect centers in ZnO are considered: bond-centered hydrogen (HBC ), hydrogen bound within the oxygen vacancy (HO), hydrogen molecules, and a defect, which gives rise to a local vibrational mode at 3326 cm−1 . The measurements identify HBC as a shallow donor with an ionization energy of 53 meV. The internal 1s → 2p transition of HBC is detected at 330 cm−1 in the Raman scattering and photoconductivity spectra. The decay of an exciton bound to HBC results in the photoluminescence line at 3360.1 ± 0.2 meV. The local vibrational mode of the O–H bond for bond-centered hydrogen has a frequency of 3611 cm−1 (H-I) and an effective charge of 0.28±0.03e. It is found that bond-centered hydrogen is unstable against annealing at 190 °C due to diffusion and trapping by other defects. The dominant sink is the hydrogen molecule. It is demonstrated that the well-known I4 photoluminescence line at 3362.8 meV is due to the recombination of excitons bound to the HO donor. The ionization energy of the HO donor is determined to be 47 meV. The 1s → 2pz (2pxy) electronic transition of HO is detected at 265 cm−1 in photoconductivity spectra. The formation of HO occurs via trapping of HBC at vacancies left by out-diffusing oxygen. It is shown that sub-band gap illumination leads to an intensity reduction of the O–H local vibrational mode at 3326 cm−1 and the appearance of a previously unreported infrared absorption line at 3358 cm−1. The signals are identified as stretch modes of an O–H bond associated with the same defect in different charge states. The measurements indicate that this defect has a deep level in the band gap of ZnO at roughly Ec − 1.7 eV. Additionally, results on the thermal stability, uniaxial stress response, and temperature dependence of the transition rates between the two charge states of this defect are presented. Interstitial hydrogen in rutile TiO2 is studied by infrared absorption. It is shown that the defect is a shallow donor with an ionization energy of 10 meV. The absorption lines at about 3290 cm−1 consists of local vibrational modes due to the neutral and the positive charge states of the donor with relative intensities depending on the measurement conditions. In the neutral charge state, the defect reveals two modes at 3288.3 and 3292 cm−1 (10 K), whereas the positive charge state has a vibrational mode at 3287.4 cm−1. An unknown hydrogen complex was found to contribute to the 3288 cm−1 feature.