Universiẗat, Diss., 1990--Paderborn.

In der vorliegenden Arbeit werden ZnO-Mikronadeln bezüglich ihrer Anwendbarkeit als Mikroresonatoren untersucht. Dabei stehen Kavitätsmoden im Fokus der Untersuchungen, die sich nur senkrecht zur Nadelachse ausbreiten, sprich innerhalb der hexagonalen Nadelquerschnittsfläche. Folglich wird der Einfluss der Gestalt der Querschnittsfläche auf Resonatoreigenschaften wie Propagation, Form, Direktionalität und Qualität der Kavitätsmoden sowohl theoretisch simuliert als auch experimentell nachgewiesen. Die dabei beobachteten hohen Qualitätsfaktoren von Flüstergalerie-Moden ermöglichen es darüberhinaus, Wechselwirkungseffekte zwischen Kavität und Mode zu beobachten. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der regulären, polygonalen Resonatorform und deren Einfluss auf die Dimensionalität von Kavitätsmoden sowie deren mögliche Wechselwirkung mit dem elektronischen System des Resonators. Beispielhaft wird ein hexagonaler Resonator zur Veranschaulichung gewählt, wie er durch ZnO-Mikronadeln gegeben ist, undmittels Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Simulationen sowie winkelaufgelöster Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht. Die aufgenommenen PL-Spektren können unter Zuhilfenahme photonischer Dispersionskurven von ein- und zwei-dimensionalen Kavitätsmoden reproduziert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird der Einfluß der Resonatorecken auf die Lichtauskopplung diskutiert und mittels winkelaufgelöster, anregungsabhängiger und temperaturabhängier PL-Spektroskopie nachgewiesen. Desweiteren wird auf die Wechselwirkung zwischen dem Resonator und den Kavitätsmoden eingegangen, imSpeziellen auf die starke Kopplung zwischen Flüstergalerie-Moden und freien Exzitonen imResonatormaterial. Bereits erschienende Publikationen zu diesemThema werden präsentiert und kritisch hinterfragt. Dabei wird ein Leitfaden aufgestellt, der eine Evaluierung möglicher Polaritonen-Phänomene ermöglicht. Um Wechselwirkungen dieser Art auch in den hier untersuchtenMikronadeln nachzuweisen, werden Hochanregungs-PL-Messungen durchgeführt. Dabei werden Messungen in der Mitte der Nadel sowie in der Nähe ihrer Ecken getätigt, um spezielle Polaritonen-Propagationseffekte beobachten zu können. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluß von irregulären und inhomogenen Resonatorformen auf die Bildung von Flüstergalerie-Moden diskutiert. Dafür werden elongierte Teile der Nadeln, die durch laterale Auswüchse entstehen, winkelaufgelöst bezüglich einer gerichteten Auskopplung von Kavitätsmoden vermessen und verzerrte Mikronadeln, wie sie beim Biegen entstehen, bezüglich der entstehenden Deformationseffekte und deren Einfluss auf die Kavitätsmoden mittels hochaufgelöster Mikro-PL untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zu irregulären Resonatoren können durch FDTD-Simulationen bestätigt werden. Desweiteren wurden Mikronadel- und Nanonadel-Quantengraben-Heterostrukturen hergestellt und deren Lumineszenzeigenschaften diskutiert. Dabei wird speziell auf die Homogenität der Quantengrabenemission eingegangen und Strategien zur Realisierung einer starken Kopplung zwischen Flüstergalerie-Moden und Quantengraben-Exzitonen aufgestellt. Diese Strategien werden experimentell umgesetzt und deren Ergebnisse anhand von Kathodolumineszenzmessungen vorgestellt.

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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.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem vertieften Verständnis der Rekombinationsdynamik von polaren ZnO/MgZnO-Quantengraben(QW)-Strukturen zur exakten Bestimmung des unabgeschirmten Grundzustandes und der Analyse der zugrundeliegenden Emissionsprozesse. Dafür werden ausgehend von Beobachtungen an ZnO-Dünnschichten die Eigenschaften von mittels PLD hergestellten QWs unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes mit Hilfe der zeitintegrierten (TI-) und zeitaufgelösten (TR-) Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie untersucht. Die Differenz der spontanen und piezoelektrischen Polarisation zwischen ZnO und MgZnO führt zur Ausbildung eines internen elektrischen Feldes und damit zum Auftreten des quantum-confined Stark effect (QCSE). Es wird gezeigt, dass der QCSE durch eine Durchmischung der Grenzflächen stark vermindert wird. Für QWs mit schwachem QCSE ist die Übergangsenergie und Zerfallszeit des Grundzustandes experimentell gut bestimmbar. Bei starkem QCSE müssen jedoch bereits bei geringen Anregungsdichten (1E10 /cm²) Abschirmeffekte berücksichtigt werden. Dadurch ist es sehr schwierig, den unabgeschirmten Grundzustand mittels herkömmlicher experimenteller Methoden mit einem aussagekräftigen Signal-Rausch-Verhältnis zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass für QWs mit einer Dicke > 4 nm die Übergangsenergie des unabgeschirmten Grundzustandes nicht durch TI-PL-Messungen bestimmt werden kann. TR-PL-Messungen zeigen energetisch tiefere Übergangsenergien, jedoch ebenfalls nicht den unabgeschirmten Grundzustand. Mit einem eingeführten Modell zur Beschreibung der zeitabhängigen Abschirmung des Grundzustandsniveaus wird die Zerfallszeit für QW-Dicken in einem Bereich von 1 - 10 nm bestimmt. Durch die selbstkonsistente Lösung von Schrödinger- und Poissongleichung werden die Übergangsenergie und Zerfallszeit der Exzitonen im QW in Abhängigkeit der Feldstärke und auch der Ladungsträgerdichte berechnet. Dadurch ist eine exaktere Bestimmung der Feldstärke möglich. Zusätzlich wird durch die vergleichende Untersuchung von QWs unterschiedlicher Dicke, Potentialhöhe und Wachstumsunterlage die spontane und piezoelektrische Polarisation der Materialien experimentell bestimmt. Mittels temperaturabhängiger Messungen wird der Ursprung der Lumineszenz für QW-Dicken > 2 nm der Rekombination freier Exzitonen im QW zugeschrieben. Für dünnere QWs ist der temperaturabhängige Verlauf des PL-Maximums durch Lokalisation der Exzitonen bestimmt.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit auf Nickeloxid (NiO) und Zinkoxid (ZnO) basierenden Halbleiterheterostrukturen. Beide Materialsysteme sind weitbandlückige und damit im sichtbaren Spektralbereich transparente Halbleiter. Da NiO vom p- und ZnO vom n-Leitungstyp ist, ist mit dieser Kombination die Herstellung optisch transparenter und gleichrichtender pn-Kontakte möglich. Die Realisierung solcher Kontakte ist Schwerpunkt dieser Arbeit. Darauf aufbauend wird gezeigt, dass der NiO/ZnO-Heterokontakt Anwendungspotential im Bereich der Photovoltaik besitzt, und zwar als UV-aktive, transparente Solarzelle, die über die Absorption von ultraviolettem Licht elektrische Leistung bereitstellt.Weiterhin werden auf NiO/ZnO-Kontakten basierende Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (junction field-effect transistors, JFET) hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bauteile von technischer Relevanz in Schaltungen der transparenten Elektronik sein können. Der NiO/ZnO-Halbleiterkontakt weist bekanntermaßen große Versetzungen der Leitungs- und Valenzbandkanten an der Grenzfläche auf, welche Barrieren für die Injektion von Minoritätsladungsträgern darstellen. Ein Stromfluss durch eine solche Typ-II-Heterostruktur ist nur durch Elektron-Loch-Rekombination über Grenzflächenzustände möglich. Es werden Modelle diskutiert, die zur Beschreibung der Strom-Spannungscharakteristik unter Berücksichtigung dieses Transportmechanismus verwendet werden können. Die Herstellung der ZnO-Dünnfilme erfolgte mit der etablierten Methode der gepulsten Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD). Zur Beschichtung mit NiO wird neben der PLD die Kathodenzerstäubung als zweite Methode verwendet. Die Besprechung der Ergebnisse beginnt mit der Analyse der NiO-Dünnschichten und endet mit den aktiven Bauelementen. Zuerst werden die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften von NiO-Dünnfilmen hinsichtlich der Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen für beide Methoden besprochen. Anschließend folgt die elektrische Charakterisierung von NiO/ZnODioden, auf deren Basis Transportmechanismen in diesen Strukturen diskutiert werden. Die letzten beiden Kapitel sind den im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich hergestellten aktiven Bauelementen – UV-aktiven Solarzellen sowie JFET – gewidmet, die den NiO/ZnO-Heteroübergang zur Realisierung ihrer Funktionalität ausnutzen. Hierbei wurden mittels PLD abgeschiedene NiODünnfilme als Solarzellen-Frontkontakte beziehungsweise als Transistor-Steuerelektrode eingesetzt. Bezüglich der UV-Solarzellen erfolgt eine tiefgehende Analyse der auftretenden elektrischen Verlustmechanismen. Die Charakterisierung der JFET fokussiert auf das statische und dynamische Schaltverhalten sowie die Temperaturstabilität der Bauelemente.

In der vorliegenden Arbeit werden ZnO-Mikronadeln bezüglich ihrer Anwendbarkeit als Mikroresonatoren untersucht. Dabei stehen Kavitätsmoden im Fokus der Untersuchungen, die sich nur senkrecht zur Nadelachse ausbreiten, sprich innerhalb der hexagonalen Nadelquerschnittsfläche. Folglich wird der Einfluss der Gestalt der Querschnittsfläche auf Resonatoreigenschaften wie Propagation, Form, Direktionalität und Qualität der Kavitätsmoden sowohl theoretisch simuliert als auch experimentell nachgewiesen. Die dabei beobachteten hohen Qualitätsfaktoren von Flüstergalerie-Moden ermöglichen es darüberhinaus, Wechselwirkungseffekte zwischen Kavität und Mode zu beobachten. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der regulären, polygonalen Resonatorform und deren Einfluss auf die Dimensionalität von Kavitätsmoden sowie deren mögliche Wechselwirkung mit dem elektronischen System des Resonators. Beispielhaft wird ein hexagonaler Resonator zur Veranschaulichung gewählt, wie er durch ZnO-Mikronadeln gegeben ist, undmittels Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Simulationen sowie winkelaufgelöster Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht. Die aufgenommenen PL-Spektren können unter Zuhilfenahme photonischer Dispersionskurven von ein- und zwei-dimensionalen Kavitätsmoden reproduziert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird der Einfluß der Resonatorecken auf die Lichtauskopplung diskutiert und mittels winkelaufgelöster, anregungsabhängiger und temperaturabhängier PL-Spektroskopie nachgewiesen. Desweiteren wird auf die Wechselwirkung zwischen dem Resonator und den Kavitätsmoden eingegangen, imSpeziellen auf die starke Kopplung zwischen Flüstergalerie-Moden und freien Exzitonen imResonatormaterial. Bereits erschienende Publikationen zu diesemThema werden präsentiert und kritisch hinterfragt. Dabei wird ein Leitfaden aufgestellt, der eine Evaluierung möglicher Polaritonen-Phänomene ermöglicht. Um Wechselwirkungen dieser Art auch in den hier untersuchtenMikronadeln nachzuweisen, werden Hochanregungs-PL-Messungen durchgeführt. Dabei werden Messungen in der Mitte der Nadel sowie in der Nähe ihrer Ecken getätigt, um spezielle Polaritonen-Propagationseffekte beobachten zu können. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluß von irregulären und inhomogenen Resonatorformen auf die Bildung von Flüstergalerie-Moden diskutiert. Dafür werden elongierte Teile der Nadeln, die durch laterale Auswüchse entstehen, winkelaufgelöst bezüglich einer gerichteten Auskopplung von Kavitätsmoden vermessen und verzerrte Mikronadeln, wie sie beim Biegen entstehen, bezüglich der entstehenden Deformationseffekte und deren Einfluss auf die Kavitätsmoden mittels hochaufgelöster Mikro-PL untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zu irregulären Resonatoren können durch FDTD-Simulationen bestätigt werden. Desweiteren wurden Mikronadel- und Nanonadel-Quantengraben-Heterostrukturen hergestellt und deren Lumineszenzeigenschaften diskutiert. Dabei wird speziell auf die Homogenität der Quantengrabenemission eingegangen und Strategien zur Realisierung einer starken Kopplung zwischen Flüstergalerie-Moden und Quantengraben-Exzitonen aufgestellt. Diese Strategien werden experimentell umgesetzt und deren Ergebnisse anhand von Kathodolumineszenzmessungen vorgestellt.

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Techn. Hochsch., Diss--Aachen, 1999.