In the present study it was tried to create a diluted magnetic semiconductor on the basis of GaN and TiO2 by means of ion beam implantation. In most cases, by characterization of structural and magnetic properties, it was possible to prove that the ferromagnetic state is related to either spinodal decomposition or secondary phase formation. In case of Fe implanted GaN spinodal decomposition, epitaxially oriented alpha-Fe or epsilon-Fe3N nanocrystals were found to be responsible for the ferromagnetic behavior. In addition, the formation of gamma-Fe clusters was observed. Similarly, in TiO2 the ferromagnetism is related to the formation of epitaxially oriented alpha-Fe clusters. Dependent on the process parameters during annealing experiments several various secondary phases were formed. A critical examination of the references in literature points out the significance of usage of sensitive and complementary probe techniques (like CEMS, SQUID, XRD, EXAFS), in order to be able to discuss the origin of ferromagnetism in the field of diluted magnetic semiconductors in a proper way. / In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, mittels Ionenimplantation verdünnte magnetische Halbleiter auf der Basis von GaN und TiO2 herzustellen. In den meisten Fällen konnte anhand von Charakterisierungen der strukturellen und magnetischen Eigenschaf- ten nachgewiesen werden, dass der ferromagnetische Zustand auf das Vorliegen von entweder spinodaler Entmischung oder kristalliner Ausscheidungen zurückgeführt werden kann. Im Fall von Fe-implantiertem GaN konnten spinodale Entmischung, epitaktisch ausgerichtete alpha-Fe- oder epsilon-Fe3N-Nanokristallite für den Ferromagnetismus verantwortlich gemacht werden. Daneben wird die Bildung von gamma-Fe beobachtet. Bei TiO2 ist Ferromagnetismus ebenfalls auf die Ausscheidung von epitaktisch orientierten alpha-Fe-Clustern zurückzuführen. In Abhängigkeit von den Prozessparametern bei Temperungsexperimenten bildete sich eine Reihe unterschiedlicher Sekundärphasen. Eine kritische Auseinandersetzung mit den Literaturangaben zeigt die Wichtigkeit des Einsatzes sensitiver, sich ergänzender Messmethoden (wie CEMS, SQUID, XRD, EXAFS), um die Ursache des Ferromagnetismus auf dem Gebiet der verdünnten magnetischen Halbleitern zu finden.

III-Mn-V dilute ferromagnetic semiconductors (DFSs) have been treated as a candidate material for semiconductor spintronics due to their intrinsic ferromagnetism mediated by holes. In this thesis, three different Mn doped III-V DFSs, (In,Mn)As, (Ga,Mn)As, and (Ga,Mn)P, have been produced by ion implantation and pulsed laser melting. The comparison of magnetic anisotropy, magnetization, Curie temperature, as well as the electrical property is performed between three different materials to understand the nature of hole-mediated ferromagnetism in DFSs. An in-plane magnetic easy axis is observed in (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)P, while an out-of-plane magnetic easy axis is found in (In,Mn)As due to the contribution of different inner strain resulting from the lattice mismatch between the DFS layer and the corresponding substrate. Most importantly, the direct proof of interplay between localization and magnetism is provided by a systematic comparison between (Ga,Mn)As and (In,Mn)As. When the Mn concentration is increased in the regime of the insulator-metal transition, the long-range ferromagnetic coupling is gradually built up accompanied with the appearance of metallic features. The generation of long-range global ferromagnetism is strongly influenced by the p-d coupling between hole and Mn local spins: The global ferromagnetism (metallic feature) happens at lower Mn concentration in (In,Mn)As than in (Ga,Mn)As due to the stronger p-d coupling from the smaller lattice parameter of GaAs. Moreover, for the case of (Ga,Mn)P with the strongest p-d coupling in comparison with (In,Mn)As and in (Ga,Mn)As, the super-exchange model has to be considered, since metallic features does not appear at the highest obtainable Mn concentration. Through the comparison between three different DFS materials, our findings strongly advocate for the heterogeneous model of electronic states at the localization boundary and point to the crucial role of weakly localized holes in mediating efficient spin-spin interactions even on the insulator side of the insulator-metal transition at least for (In,Mn)As and in (Ga,Mn)As.

Das PICTS-Verfahren ist eine der am häufigsten eingesetzten Methoden zur Charakterisierung semiisolierender Halbleiter. Die methodischen Fortschritte bei der Ermittlung von Störstellenparametern mit diesem Verfahren werden in dieser Arbeit vorgestellt. Als praktikable Methode für den Nachweis einer temperaturabhängigen Änderung des Besetzungsverhältnisses einer Haftstelle wird die Normierung auf die Emissionsrate der Elektronen eingeführt. Es wird gezeigt, dass Peaks, bei denen diese Normierung misslingt, nicht für die Ermittlung der Störstellenparameter herangezogen werden dürfen. Die Untersuchungen belegen, dass für die vollständige Umladung der Störstellen eine geeignete Anregungsintensität verwendet werden muss. Durch PICTS-Messungen an Kupfer-dotierten Proben wird eine systematische Abhängigkeit der Peakhöhen Kupfer-korrelierter Peaks vom Kupfergehalt der Proben nachgewiesen. Mit den Untersuchungen wird belegt, dass sich Kupfer mittels PICTS bis zu einer minimalen AES-Kupfer-Konzentration von [Cu]min ca. 5·1E14/cm^3 nachweisen lässt.

In this thesis the strong coupling of excitons with intense THz radiation in GaAs/AlGaAs and InGaAs/GaAs multi-quantum wells (MQW) and the strong coupling of electrons to phonons in InAs/GaAs quantum dots (QD) are investigated. Experimental studies in the field of non-linear terahertz (THz) spectroscopy were carried out using the narrowband THz emission of a free-electron laser (FEL). In the first part intra-excitonic transitions are pumped with intense THz radiation. The THz-pump–near-infrared(NIR)-probe experiments are analysed focusing on the behaviour of the Autler-Townes (AT) splittings with increasing THz field strength. Furthermore measurements of the temperature dependence up to room temperature are discussed. With the help of a microscopic theory the contribution of higher lying intra-excitonic states to the lineshape and splitting of the heavy-hole absorption line is analysed at low temperatures. The second part is about the lifetime and dephasing time of polarons in InAs/GaAs QDs that was measured for inter-sublevel excitation in the THz spectral region (below the Reststrahlen band). Single electrons inside QDs strongly interact with phonons and form quasi-particles called polarons. The temperature dependence of the dephasing behavior and the contribution of pure dephasing is discussed.

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.

This thesis reassigns the OTe-VCd complex in CdTe and the OSe-VCd complex in CdSe to a sulfur-dioxygen complex SO2*, and the OCd defect in CdSe to a VCdH2 complex using Fourier transformed infrared absorption spectroscopy. The publications of the previous complexes were investigated by theoreticians who performed first-principle calculations of theses complexes. The theoreticians ruled out the assignments and proposed alternative defects, instead. The discrepancy between the experimentally obtained and theoretically proposed defects was the motivation of this work. Two local vibrational modes located at 1096.8 (v1) and 1108.3 cm-1 (v2) previously assigned to an OTeV_Cd complex are detected in CdTe single crystals doped with CdSO4 powder. Five weaker additional absorption lines accompanying v1 and v2 could be detected. The relative intensities of the absorption lines match a sulfur-dioxygen complex SO2* having two configurations labeled v1 and v2. A binding energy difference of 0.5+-0.1meV between the two configurations and an energy barrier of 53+-4 meV separating the two configurations are determined. Uniaxial stress applied to the crystal leads to a splitting of the absorption lines which corresponds to an orthorhombic and monoclinic symmetry for v1 and v2, respectively. In virgin and oxygen-doped CdSe single crystals, three local vibrational modes located at 1094.1 (gamma_1), 1107.5 (gamma_2), and 1126.3 cm-1 (gamma_3) previously attributed to an OSe-VCd complex could be observed. The signals are accompanied by five weaker additional absorption features in their vicinity. The additional absorption lines are identified as isotope satellites of a sulfur-dioxygen complex SO2* having three configurations gamma_1, gamma_2, and gamma_3. IR absorption measurements with uniaxial stress applied to the CdSe crystal yield a monoclinic C1h symmetry for gamma_1 and gamma_2. The SO2* complex is stable up to 600 C. This thesis assigns the v- lines in CdTe and gamma-lines in CdSe to local vibrational modes of a sulfur-dioxygen complex SO2*. A hydrogen-doped CdSe single crystal exhibits two absorption lines at 1992 (SeH$_\\parallel$) and 2001 cm-1 (SeH$_\\perp$). Both signals show a red-shift in frequency to 1454 (SeD$_\\parallel$) and 1461 cm-1 (SeD$_\\perp$) when hydrogen is replaced by deuterium. This frequency shift in combination with the fine structure of the absorption lines arising from Se isotopes yields a VCdH2 defect giving rise to SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$. This contradicts the previously assignment of the two absorptions lines to an OCd defect. The SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$ vibrational modes are found to be aligned parallel and perpendicular to the c-axis of the crystal, respectively. The VCdH2 defect is stable up to a temperature of 525 C.

Das Einbringen von Dotierstoffen in das Substratmaterial ist einer der wichtigsten Teilprozesse in der Halbleiterindustrie. Größe, Lage und Konzentration elektrisch aktiver Dotiergebiete bestimmen wesentlich die Eigenschaften der mikroelektronischen Basisbauelemente und damit die Funktionalität der Endprodukte. Die kontinuierliche Verkleinerung dieser Bauelemente zieht steigende Anforderungen an die Präzision bei ihrer Herstellung nach sich. Analyseverfahren, mit denen die genannten Kenngrößen gemessen werden können, sind aus diesem Grund von hoher Bedeutung. Elektronenholographie ist eine dafür prinzipiell geeignete Messmethode, da sie eine zweidimensionale Vermessung der durch die Dotanden veränderten Potentialstruktur des Halbleiters in der geforderten Ortsauflösung von wenigen nm erlaubt. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Optimierung der für die holographische Untersuchung wichtigen Parameter. Zu diesem Zweck werden sowohl präparative Aspekte wie geeignete Probendicke und Struktur der Proben als auch messtechnische Aspekte wie kohärente Beleuchtung und TEM-Parameter diskutiert. Während sich der Hauptteil der Arbeit mit den dabei gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnissen befasst, werden im Anhang die bei Präparation und Messung wichtigen Details ausführlich beschrieben. Ein wesentliches Problem bei der elektronenholographischen Messung stellt die Präparation der Objekte für die Untersuchung im TEM dar. Die einzige sinnvolle Möglichkeit für eine industrielle Anwendung ist die Zielpräparation mit dem fokussierten Ionenstrahl („FIB“), da keine andere Methode vergleichbar effizient arbeitet. Leider wird bei dieser Art von Präparation die Probe von der Oberfläche bis in eine gewisse Tiefe sowohl strukturell als auch elektrisch verändert. Diese Artefakte beeinflussen das Ergebnis der hochsensiblen holographischen Messung. Um die gewonnenen Daten dennoch verlässlich quantitativ auswerten zu können, muss klar zwischen ursprünglichen Objekteigenschaften und präparativ induzierten Schädigungen unterschieden werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden durch die FIB-Präparation hervorgerufene Schädigungen der Probe systematisch analysiert. Mit Hilfe von SIMS konnte die Tiefenverteilung des beim Ionenschneiden eingedrungenen Fremdmaterials gemessen werden. Es wurden Querschnitte von FIB-Proben durch konventionelle, holographische sowie holographisch-tomographische Abbildung im TEM an einer eigens dafür entwickelten nadelförmigen Probengeometrie untersucht. Dabei wurden die entstandenen strukturellen und elektrischen Veränderungen beobachtet und quantitativ charakterisiert. Der Einsatz von Tomographie erlaubte schließlich die Messung der Potentialverteilung im Inneren der Nadeln ohne eine Verfälschung durch Projektionseffekte. Es wurde gezeigt, dass die über die Schädigungen gewonnenen Erkenntnisse für eine Korrektur der holographischen Daten genutzt werden können. Dazu wurden entsprechende Untersuchungen an verschiedenen Bauelementen aus der Halbleiterindustrie durchgeführt. Die korrigierten Ergebnisse wurden dabei stets mit den theoretischen Erwartungen verglichen.

Doping allows us to modify semiconductor materials for desired properties such as conductivity, bandgap, and / or lattice parameter. A small portion replacement of the highly mismatched isoelectronic dopants with the host atoms of a semiconductor can result in drastic variation of its structural, optical, and / or electronic properties. Here, the term "mismatch" describes the properties of atom size, ionicity, and / or electronegativity. This thesis presents the fabrication of two kinds of highly mismatched semiconductor alloys, i.e., Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x). The structural and optical properties of the prepared Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) have been investigated. The results suggest an efficient above-solubility doping induced by non-equilibrium methods of ion implantation and ultrashort annealing. Pulsed laser melting promotes the regrowth of monocrystalline Ge(1-x)Sn(x), whereas flash lamp annealing brings about the formation of high quality GaAs(1-x)N(x) with room temperature photoluminescence. The bandgap modification of Ge(1-x)Sn(x) and GaAs(1-x)N(x) has been verified by optical measurements of spectroscopic ellipsometry and photoluminescence, respectively. In addition, effective defect engineering in GaAs has been achieved by flash lamp annealing, by which a quasi-temperature-stable photoluminescence at 1.3 µm has been obtained. / Dotierung ermöglicht es, die Eigenschaften von Halbleitermaterialien, wie Leitfähigkeit, aber auch Bandabstand und / oder Gitterkonstanten gezielt zu verändern. Wenn ein Halbleiter mit einer kleinen Menge unterschiedliche Fremdatome dotiert wird, kann dies in einer drastischen Modifikation der strukturellen, optischen und / oder elektronischen Eigenschaften resultieren. Der Begriff "unterschiedlich" bedeutet hier die Eigenschaften von Atomgröße, Ioniztät und / oder Elektronegativität. Diese Doktorarbeit beschreibt die Herstellung von zwei Arten von stark fehlangepassten Halbleiterlegierungen: Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x). Die strukturellen und optischen Eigenschaften von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurden untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine effiziente Dotierung oberhalb der Löslichkeit, induziert durch die Nicht-Gleichgewichtsverfahren Ionenimplantation und Ultrakurzzeit-Ausheilung. Gepulstes Laserschmelzen ermöglicht das Nachwachsen von monokristallinem Ge(1-x)Sn(x), während die Blitzlampenausheilung in der Bildung von GaAs(1-x)N(x) hoher Qualität mit Photolumineszenz bei Raumtemperatur resultiert. Die Änderung der Bandlücke von Ge(1-x)Sn(x) und GaAs(1-x)N(x) wurde durch die optischen Methoden der spektroskopischen Ellipsometrie und Photolumineszenz verifiziert. Darüber hinaus konnte in ausgeheiltem GaAs eine quasi-temperaturstabile Photolumineszenz bei 1,3 µm beobachtet werden.

Realising Si-based electrically driven light emitters in a process technology compatible with mainstream microelectronics CMOS technology is key requirement for the implementation of low-cost Si-based optoelectronics and thus one of the big challenges of semiconductor technology. This work has focused on the development of microcavity enhanced silicon LEDs (MCLEDs), including their design, fabrication, and experimental as well as theoretical analysis. As a light emitting layer the abrupt pn-junction of a Si diode was used, which was fabricated by ion implantation of boron into n-type silicon. Such forward biased pn-junctions exhibit room-temperature EL at a wavelength of 1138 nm with a reasonably high power efficiency of 0.1%. Two MCLEDs emitting light at the resonant wavelength about 1150 nm were demonstrated: a) 1-lambda MCLED with the resonator formed by 90 nm thin metallic CoSi2 mirror at the bottom and semitransparent distributed Bragg reflector (DBR) on the top; b) 5.5-lambda MCLED with the resonator formed by high reflecting DBR at the bottom and semitransparent top DBR. Using the appoach of the 5.5-lambda MCLED with two DBRs the extraction efficiency is enhanced by about 65% compared to the silicon bulk pn-junction diode.