1,720,989 research outputs found
Growth kinetics of the group-III-nitrides at large lattice mismatches
Full text linkAufgrund seiner (opto-)elektronischen Eigenschaften und besonders durch die stets direkte aber mit
der Komposition der ternären Verbindungen einstellbare Bandlücke, erfährt das System der
Gruppe-III-Nitride extrem großes Interesse. Die speziellen Eigenschaften von Indium sowie die großen
Unterschiede der Gitterkonstanten der binären Verbindungen verursachen nach wie vor große Probleme
hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften, wenn in hohem Maße Indium Teil der Verbindung ist.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode für das Wachstum von InN mittels plasmagestützter
Molekularstrahlepitaxie auf (0001)-GaN Templates vorgestellt, mit der außerordentlich glatte und
mehrere Quadratmikrometer große InN-Inseln realisiert werden können. Diese als Doppelpuls-Verfahren
betitelte Methode beruht auf dem Alternieren der Quellflüsse in kurzen Pulsen. Es werden einige
Probenserien und deren Charakterisierung vorgestellt, mit deren Hilfe aufgezeigt wird, welchen
Einfluss die Gesamtperiodenzahl, die Substrattemperatur, das V/III-Verhältnis sowie das
Substratmaterial auf die Evolution und Gestalt der InN-Inseln haben. Die Proben wurden hauptsächlich
mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Reflexionselektronenbeugung (RHEED) und hochauflösende
Röntgendiffraktometrie (HRXRD) charakterisiert.
Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Wachstumsmodell beschrieben. Dieses Modell beschreibt das
Zusammenspiel von In-Effusion aus der Knudsenzelle, Diffusion der Atome auf der Oberfläche,
Dekomposition von InN sowie die Desorption von In und Stickstoff. Unterstützt wird das Modell
durch eine Monte-Carlo-Simulation bei der besagte Prozesse simuliert werden. Die Ergebnisse dieser
Simulation zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden.
Die Beigabe eines geringen Ga-Flusses bewirkt mit dem an der Oberfläche befindlichen Indium einen
Surfaktant-Effekt mit dessen Hilfe nahezu geschlossene und außerordentlich Glatte InN-Schichten
realisiert werden können.
Ein Teil der Arbeit befasst sich darüber hinaus mit dem Wachstum von GaInN. Mit Hilfe des
konventionellen Wachstums können In-Gehalte von bis zu 30% realisiert werden. Weit höhere I
ndiumgehalte sind mit Hilfe des Doppelpuls-Verfahrens möglich. Demonstriert werden Proben die
einen Indiumgehalt von bis zu 85% aufweisen.Due to the outstanding (opto-)electronical properties of the group-III-nitrides and especially
due to the tunable bandgap of the ternary alloys this material system is attracting much
interest. However, because of the special properties of indium and the large lattice mismatch
between the binary III-nitrides, high indium content material is still affected by high defect
densities and poor structural quality.
In this thesis a method for the growth of InN on (0001)-GaN templates using plasma assisted
molecular beam epitaxy is presented. Using this so called double-pulsed growth mode, which is
based on alternating fluxes using short and consecutive source pulses, extraordinary flat and
huge InN islands can be obtained. By investigating a couple of different sample series the
growth kinetics of the islands are investigated. In addition to the variation of the cycle
numbers to investigate the evolution of the islands the influence of the substrate temperature,
the V/III ratio and different substrate materials are studied. Those investigations were
primarily done by reflection high energy electron diffraction (RHEED), atomic force microscopy
(AFM) and high resolution X-ray diffraction (HRXRD).
Based on this investigations a growth model is presented, which describes the interaction
between In-effusion from the crucible, diffusion of the surface atoms, decomposition of InN and
desorption of indium and nitrogen. The model is supported by a Monte Carlo simulation where the
aforesaid processes are simulated. The results of this simulation are in satisfactory agreement
with the experimental results.
It is shown that by adding a little amount of gallium to the double-pulsed growth of InN a
progressed coalescence can be observed. Through optimization of the temperature and flux rates
this surfactant effect leads to almost fully coalesced surfaces.
Furthermore, the growth of GaInN is investigated. Conventionally grown GaInN exhibits an indium
incorporation limit of about 30%. By applying the double-pulsed growth to the GaInN material
system much higher indium contents are possible. Samples with up to 85% indium are presented
Examination of mechanical stresses in sensor devices induced by the molding process
Full text linkDie Qualität von endverpackten Sensoren hängt entschieden von der Beherrschung der mechanischen Spannungen infolge der Verkapselung ab. In dieser Arbeit wird erstmalig über die Realisierung eines Röntgendiffraktometers berichtet, welches eine Analyse des dreidimensionalen mechanischen Spannungszustandes in Einkristallen ermöglicht, deren Oberfläche optisch und mechanisch nicht frei zugänglich ist. Mehrere innovative Ansätze mussten dazu entwickelt und verfolgt werden. Nur Röntgenstrahlung höherer Energie (>15 keV), mit der es gelingt die Spritzgussverpackung der Sensoren zu durchdringen, ist als Sonde für die mechanischen Belastungen im einkristallinen Siliziumsubstrat geeignet. Die spezielle Probengeometrie erzwingt einen Übergang zu schwachen hochindizierten Braggreflexen. Ein wesentlicher Schritt der apparativen Entwicklung war daher die Optimierung des Messsignals durch die Kombination einer Molybdän-Feinfokusquelle mit einer speziell adaptierten Glaskapillaroptik. Zur reproduzierbaren Justage der unzugänglichen Chipoberfläche war die Implementierung eines Durchleuchtungssystems erforderlich. Das Diffraktometer wurde mit einem Hexapod als Probenhalter konzipiert, der durch seine kompakte Bauweise den Einbau von beliebig geformten Chipgehäusen zulässt. Die Röntgenbeugungsanalyse dient der Verifizierung eines Kraftmesschips, der den Verpackungsprozess substituierend durchläuft und die dadurch eingeprägten Spannungen über den piezoresistiven Effekt bestimmt. An verschiedenen Gehäusearten wurden sowohl röntgenographische als auch elektrische Spannungsmessungen erfolgreich durchgeführt. Beide Methoden zeigen qualitativ gut übereinstimmende Resultate.The reliability of sensor devices is particularly determined by mechanical stress due to encapsulation. In this thesis an X-ray diffractometer has been realised, that allows the three-dimensional stress state to be analysed in the single crystal silicon substrate of encapsulated chips. This requires different innovative aspects to be developed and approached. Only hard X-rays (>15 keV) can penetrate through the injection molding. Because of the special sample geometry only high order Bragg reflections are available. Therefore it was essential for this experimental setup to optimise the Bragg peak intensity by a combination of a microfocus X-ray source and a specially adapted capillary optics. For a reproducible sample alignment the implementation of an X-ray examination system is necessary. The diffractometer has been developed with a hexapod as sample holder. This feature makes it well suited for different shaped chip packages and spatial resolved measurements. The X-ray stress analysis provides the verification of a piezoresistive force measurement chip, which passes through the packaging process in place of the sensor device. For different packages the results of the X-ray stress analysis have been compared with the results obtained by the force measurement chip and a good qualitative agreement has been reached
Red-emitting InP/GaInP quantum-dot lasers
Full text linkIn dieser Arbeit werden die weltweit ersten InP/GaInP Quantenpunktlaser vorgestellt. Die elektronische Struktur und Sättigungseffekte in diesen sichtbar emittierenden, selbstorganisierten Quantenpunkten (QP) wird mit Photolumineszenz- und optischer Verstärkungsspektroskopie analysiert. Laser mit geringer QP-Flächendichte zeigen eine starke sättigungsbedingte Blauverschiebung der Emissionsenergie mit abnehmender Resonatorlänge und/oder zunehmender Temperatur. Die temperaturabhängige Schwelle und Quantenausbeute wird mit einem Ratenmodell beschrieben. Bei T<200K ist die thermische Emission der Ladungsträger in die Benetzungsschicht der wichtigste Verlustkanal. Nahe Raumtemperatur (RT) dominieren der Elektronenleckstrom und die thermische Emission der Ladungsträger in die GaInP-Barriere. Die ermittelten Aktivierungsenergien entsprechen jeweils dem halben Einschlußpotential, erklärbar durch Paaremission der Ladungsträger aus den im Mittel neutralen QP. Gegenüber vergleichbaren Quantenfilmlasern dominieren QP-Laser bei geringen optischen Verlusten, wobei mangelnder Ladungsträgereinschluß vergleichsweise niedrige charakteristische Temperaturen nahe RT zur Folge hat. Mit einer parasitätsfreien Methode wird die Dynamik der Laser über Relaxationsoszillationen untersucht. Entgegen theoretischer Erwartungen zeigt die differentielle Verstärkung nahe RT ähnliche Werte wie bei den Quantenfilmlasern. Die Ursache dafür ist wiederum mangelnder Ladungsträgereinschluß. Die maximale Modulationsbandbreite liegt bei 9GHz. Ansätze zur Optimierung der QP-Laser werden diskutiert.Red light emitting InP/GaInP quantum-dot (QD) lasers are demonstrated for the first time. The electronic structure and saturation phenomena in these self-assembled QDs are analysed by photoluminescence and optical gain spectroscopy. Due to saturation a small areal coverage of the QDs causes a strong blueshift in the emission energy of single layered lasers with decreasing cavity length and/or increasing temperature. The temperature dependence of threshold and quantum efficiency is modeled with rate equations. Below 200K thermal emission of carriers into the wetting layer is the chief loss channel. Near room temperature (RT) electron leakage currents and thermal emission of carriers into the GaInP barrier are the dominating mechanisms. We obtain activation energies being one half of the total confinement energy. This is explained by pair emission of carriers and charge neutrality of the QDs. Compared to quantum-well (QW) lasers emitting at similar wavelengths, QD lasers show superior threshold properties at low optical losses. However poor carrier confinement in the QDs causes relatively low characteristic temperatures near RT. An all-optical parasitic free technique is used to investigate the dynamics of the lasers via relaxation oscillations. Contrary to theoretical expectations the obtained values for the differential gain near RT are similar to that of QW lasers. This again is attributed to the lack of carrier confinement in the QDs. Maximum modulation bandwiths of 9GHz are found. Approaches to improve the QD lasers are discussed
Analyse von Verlustprozessen in GaN-basierten LEDs
Full text linkGaN-based light-emitting diodes (LEDs) have attracted huge attention and developed rapidly in recent years due to advantages as light source regarding energy-saving and stability. However, several challenges still remain such as the "green gap" and "efficiency droop". The main part of this thesis focusses on the following aspects:
First a reliable value for the extraction efficiency for our single quantum well LED structure is obtained via calculation and calibration. According to the theory of light propagation in different media, the extraction efficiency is calculated based on the LED structure. A calibration is necessary because the real structure may be different from the ideal one. A series of samples was grown with nominal the same structure but different GaN contact layer thicknesses, which keeps the internal quantum efficiency constant while the extraction efficiencies are different. By scaling the calculated extraction efficiencies to fit the external quantum efficiencies determined by experiments, reliable extraction efficiencies are obtained.
Secondly, a procedure to determine the carrier density at various injection currents is developed. The dependence of emission energy on carrier density is calculated taken into consideration the p-n junction built-in electric field, the piezoelectric field and screening effect of free carriers. According to the calculation, there is a minimum of the emission energy for increasing carrier density. A minimum of emission energy is indeed observed under electroluminescence condition when the current is varied from very low to high. Correct values for the carrier density are determined from comparing the minimum of the emission energy of simulation and measurement. For a specific sample the determination of the free carrier density was successful.
Thirdly, the dependence of the radiative lifetime and the nonradiative lifetime on carrier density is studied utilizing the above procedure. For the radiative recombination, the dependence of the lifetime on carrier density shows that the electric field affects the radiative recombination by reducing the overlap of electron and hole wavefunction in the quantum well. The non-radiative recombination is unclear. A strange behavior of the dependence of non-radiative lifetime on carrier density (non-radiative lifetime is not constant at lower carrier density region) is observed for some samples, which we cannot explain.GaN-basierte Leuchtdioden (LEDs) haben sehr große Aufmerksamkeit hervorgerufen und sind in den letzten Jahren sehr schnell weiterentwickelt worden, weil sie in Hinblick auf Energieeinsparung und Stabilität vorteilhaft sind. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit folgenden Aspekten:
Zuerst wird eine zuverlässige Auskoppeleffizienz für unsere LED-Struktur mit einem einzelnen Quantentrog über die Berechnung und Kalibrierung erhalten. Gemäß der Theorie der Lichtausbreitung in verschiedenen Medien wird die Auskoppeleffizienz mit der bekannten Struktur unserer LED berechnet. Eine Kalibrierung ist notwendig, da die reale von der idealen Struktur abweichen könnte. Eine Probenserie wurde gewachsen mit nominell gleicher Struktur (mit gleicher interner Quanteneffizienz ), aber unterschiedlicher GaN Kontaktschichtdicke. Durch eine Skalierung der berechneten Auskoppeleffizienz mit den Werten aus dem Experiment wird eine zuverlässige Auskoppeleffizienz erhalten.
Zweitens entwickelten wir eine Prozedur um die Ladungsträgerdichte bei verschiedenen Injektionsströmen zu bestimmen. Die Abhängigkeit der Emissionsenergie von der Ladungsträgerdichte wird berechnet, wobei das Feld des p-n Überganges, das piezoelektrische Feld und der abschirmende Effekt der Ladungsträger berücksichtig wird. Nach der Berechnung gibt es ein Minimum der Emissionsenergie als Funktion der Ladungsträgerdichte. Eine minimale Emissionsenergie in der elektrisch betriebenen Struktur ist tatsächlich beobachtet worden wenn der Strom von sehr kleinen Werten zu sehr großen Werten geändert wurde. Aus einem Vergleich der Simulation und Messung des Minimums konnten korrekte Werte für die Ladungsträgerdichte gefunden werden. Damit konnte dann für eine Probe die Ladungsträgerdichte erfolgreich bestimmt werden.
Drittens konnte die Abhängigkeit der strahlenden und nicht-strahlenden Lebensdauer von der Ladungsträgerdichte untersucht werden mit der oben genannten Vorgehensweise. Bei der strahlenden Rekombination zeigt die Abhängigkeit der Lebensdauer von der Ladungsträgerdichte, dass das elektrische Feld den Überlapp der Elektronen- und Loch-Wellenfunktionen im Quantentrog beeinflusst. Die nicht-strahlende Rekombination ist unklar. Ein merkwürdiges Verhalten der Abhängigkeit der nicht-strahlenden Lebensdauer von der Ladungsträgerdichte wurde beobachtet: die nicht-strahlende Lebensdauer ist nicht konstant bei kleinen Ladungsträgerdichten für einige Proben, was nicht erklärt werden kann
Radiative and non-radiative recombination in GaInN/GaN quantum wells
Full text linkDie Gruppe-III-Nitride Galliumnitrid (GaN), Indiumnitrid (InN) und Aluminiumnitrid (AlN) bilden ein Halbleitermaterialsystem, dessen ternäre und quaternäre Mischverbindungen Al(x)In(y)Ga(1-x-y)N direkte Bandlücken besitzen, die sich über einen Energiebereich von 0.65 bis 6.2 eV erstrecken. Das Materialsystem deckt damit einen Spektralbereich ab, der von infrarot, über das gesamte sichtbare, bis nach ultraviolet reicht, wobei die direkte Bandlücke eine effiziente Lichterzeugung in diesen Halbleitern ermöglicht. So werden Quantenfilmstrukturen aus dem Materialsystem in optoelektronischen Bauteilen wie LEDs und Halbleiterlasern verwendet. Die Untersuchungen in dieser Arbeit beschäftigen sich mit dem Auftreten von invers pyramidalen Aussparungen mit hexagonalem Grundriss (V-Defekte) in der Kristallstruktur von mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie gewachsenen GaInN/GaN Quantenfilmstrukturen und den Auswirkungen, die die V-Defekte bzw. die Quantenfilmstrukturen auf den Kristallfacetten der V-Defekte auf die Emissions- und Rekombinationseigenschaften der gesamten GaInN/GaN Quantenfilmstrukturen haben. Dabei wird insbesondere auf die Wirksamkeit der V-Defekte zur Unterdrückung nichtstrahlender Verlustprozesse von optisch erzeugten Überschussladungsträgern im Quantenfilmsystem und auf die Dynamik der Rekombinationsprozesse eingegangen. Ausserdem werden die nichtstrahlenden Verluste in Halbleiterlaserstrukturen mit GaInN/GaN Quantenfilmen als verstärkendes Medium, die Bedeutung von V-Defekten für Laserstrukturen und die Auswirkungen der Laseralterung auf die Quantenfilmstruktur untersucht. Die Quantenfilmstrukturen wurden mittels temperaturabhängiger zeitaufgelöster Photolumineszenz, temperatur- und leistungsabhängiger Photolumineszenz im Dauerstrichbetrieb und der optischen Verstärkungsspektroskopie mit der variablen Strichlängenmethode studiert.The group-III-nitrides, gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), and aluminium nitride (AlN), represent a system of semiconductors which ternary and quaternary compositions Al(x)In(y)Ga(1-x-y)N have direct bandgaps with energies from 0.65eV to 6.2eV. So, the group-III-nitrides cover a spectral range from infrared, via the whole visible, to the ultaraviolet spectral region. The direct bandgap allows for an efficient light generation in these semiconductors. Therefore, group-III-nitride quantum well structures are used in optoelectronic devices like LEDs or semiconductor lasers. These studies deal with the formation of inverse pyramidal pits with hexagonal base (V-shaped pits) in the crystalline structure of MOVPE-grown (metal organic vapour phase epitaxy) GaInN/GaN quantum well structures and with the effects of the V-Shaped pits or the quantum wells on the V-shaped pit's facets on the emission and recombination characteristics of the whole GaInN/GaN quantum well structure. Especially the effectiveness of the V-shaped pits, suppressing the nonradiative recombination of optically generated excess carriers in the quantum well structure, and the recombination dynamics of excess carriers in the quantum wells are analyzed. Furthermore, the nonradiative recombination in semiconductor lasers with GaInN/GaN quantum wells in the active region, the relevance of V-shaped pits for laser structures, and the effects of aging on the GaInN/GaN quantum wells of laser structures are studied. The quantum well structures are examined with temperature dependent time-resolved photoluminescence, temperature and excitation power dependent contiuous-wave photoluminescence, and optical gain measurements with the variable stripe length method
Optische Untersuchung der Seltene-Erd-Ion- und Übergangsmetallverunreinigungen inb Nitriden
Full text linkEuropium (Eu) and other rare earth ions along with some transition metals doped in nitride semiconductors have been investigated by photoluminescence measurement. Eu has been found to be the most efficient light emitting dopants. Eu was implanted on several host materials (undoped GaN, Mg-doped GaN, u-AlGaN, Mg-doped AlGaN, AlN). We propose a new method to distinguish optically active centers of Eu in Eu-implanted Mg-doped GaN. Two different types of optically active Eu centers in Mg-doped GaN:Eu and one types of center in undoped GaN:Eu have been identified. Several more optical centers in Mg-doped GaN:Eu can not be ruled out. The excitation mechanism of these Eu centers based on rate equations was formulated by a donor-acceptor pair (DAP) resonant energy transfer model where europium ions are excited by those donor-acceptor pairs located from a certain distance to match one of its excited energy levels with the DAP transition energy. For above band gap excitation the formation of randomly distributed indistinguishable neutral donors and acceptors around the europium ions dominates the characteristics of the energy transfer process. From the temperature-dependent photoluminescence measurements by above band gap excitation two activation energies (106 meV and 0.6 meV) for one type of Eu center is derived. Under below band gap excitation no nonradiative energy back transfer has been observed at higher temperatures as the luminescence efficiency remains constant. Surprisingly the PL lifetime of Eu3+ spectra is found to be approximately the same at all temperatures, which further confirms the purely radiative recombination. A strong enhancement of Eu3+ luminescence in europium-implanted GaN samples is obtained by codoping with silicon (Si) and magnesium (Mg) simultaneously. The Eu3+ intensity in the 5D0 to 7F2 transition region is found to be thirty times higher compared to europium-implanted undoped GaN. The major contribution to this overall enhancement is due to a weak peak present only in europium-implanted Mg-doped GaN at 2.0031 eV (618.9 nm) which is strongly enhanced by codoping both Mg and Si. This is a consequence of increase in donor concentrations. Moreover, the Eu3+ luminescence even higher in Eu-impalnted AlGaN alloys. Eu3+ luminescence has been studied for different Al compositions with different doping (Mg and Si). The peak positions in GaN to AlN have been found to be red shifted as a consequence of a change in the crystal field.Europium (Eu) und andere Ionen der seltenen Erden sowie einige Übergangsmetalle wurden in Stickstoff-basierten Halbleitern implantiert und mittels Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Es wurde dabei festgestellt, dass Eu die effizienteste Lichtemission zeigt. Die Eu-Ionen wurden in verschiedenen Materialien (undotiertes GaN, Mg-dotiertes GaN, undotiertes AlGaN, Mg-dotiertes AlGaN, AlN) implantiert. Wir schlagen eine neue Methode zur Unterscheidung der optisch aktiven Eu-Zentren in Mg-dotiertem GaN vor. Dabei wurden zwei verschiedene Arten von optisch aktiven Eu-Zentren in Mg-dotiertem GaN:Eu und nur ein Zentrum in undotiertem GaN identifiziert. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass noch andere optische Zentren in Mg-dotiertem GaN:Eu vorhanden sind. Der Anregungsmechanismus dieser Eu-Zentren wurde durch ein Donator-Akzeptor-Paar-unterstütztes resonantes Übergangsmodell formuliert. In diesem Modell werden die Eu-Ionen durch einen resonanten Energieübertrag über einen elektronischen DAP-Übergang angeregt, wobei der Paarabstand des DAP für eine Übereinstimmung der DAP-Übergangsenergie mit der Anregungsenergie des Europiums einen bestimmten Wert haben muss. Bei Anregung oberhalb der Bandlücke wird die Charakteristik des Energieübertragsprozesses durch die Anordnung zufällig verteilter ununterscheidbarer neutraler Donatoren und Akzeptoren in der Umgebung des Eu-Ions dominiert. Über temperaturabhängige Photolumineszenzmessungen bei Anregung oberhalb der Bandlücke werden zwei Aktivierungsenergien (106 meV und 0,6 meV) für einen Typ des Eu-Zentrums abgeleitet. Bei Anregung unterhalb der Bandlücke wird kein Energierückübertrag bei höheren Temperaturen beobachtet: die Lumineszenzeffizienz bleibt konstant. Überraschenderweise wurde beobachtet, dass die Abklingzeiten der Eu3+-Lumineszenz bei allen Temperaturen weitestgehend gleich bleiben, was eine rein strahlende Rekombination bestätigt. Eine deutliche Erhöhung der Eu3+-Lumineszenz in Eu-implantiertem GaN wurde durch eine Kodotierung mit Silicium (Si) und Magnesium (Mg) erreicht. Es wurde herausgefunden, dass die Eu3+-Intensität im spektralen Bereich des 5D0 zu 7F2 Übergangs dreißigfach höher als bei Eu-implantiertem undotierten GaN ist. Der größte Beitrag zu dieser Gesamterhöhung liefert dabei eine Spektrallinie, die nur in Mg-dotiertem GaN bei 2,0031 eV (618,9 nm) vorhanden ist, welche sehr stark durch die Kodotierung durch Mg und Si erhöht wird. Außerdem ist die Eu3+-Intensität sogar noch höher in Eu-implantiertem AlGaN. Die Eu3+-Lumineszenz wurde für verschiedene Al-Konzentrationen bei verschiedener Dotierung (Mg und Si) untersucht. Es wurde eine Rotverschiebung der Spektrallinien von GaN zu AlN als Folge der Veränderung des Kristallfelds beobachtet
Growth and characterization of one- and two-dimensionally lattice matched AlInN on GaN of various orientations for strain free and metamorphic buffer-layers
Full text linkDas Thema dieser Arbeit bilden das Wachstum mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie und die Charakterisierung von ein- und zweidimensional gitterangepasstem AlInN auf polaren, nicht- und semipolaren GaN-Schichten und –Substraten unterschiedlicher Orientierungen. Zunächst fand eine systematische Optimierung unterschiedlicher Wachstumsparameter, wie z.B. der Wachstumstemperatur, des Reaktordrucks, der Quellflüsse und dem V/III-Verhältnis statt. Hierbei zeigte sich, dass die Zusammensetzung fast ausschließlich von der Wachstumstemperatur bestimmt wird. Mittels spektroskopischer Ellipsometrie ließ sich ein gesteigerter Kontrast im Brechungsindex für gitterangepasstes AlInN und GaN gegenüber 10%igem AlGaN und GaN nachweisen. Anschließend wurden für dicke Schichten auftretende Probleme, wie die Aufrauung mit zunehmender Schichtdicke und die damit einhergehende Kompositionsaufspaltung, tiefergehend untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die sich ausbildenden V-förmigen Löcher nicht die Ursache, sondern eher eine Konsequenz der auftretenden Probleme sein müssen. In Experimenten mit Zehnfach-Übergitterstrukturen aus AlInN/GaN-Schichtpaaren, wurde gezeigt, dass der Indiumeinbau in die AlInN-Schichten bereits in den ersten wenigen Nanometern instabil ist. Auf Basis dieser Daten wurden physikalische Modelle zur Erklärung der beobachteten Phänomene entwickelt, welche auf einem verzögerten Einbau von Indium fußen. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass kein parasitärer Einbau von Gallium in das AlInN stattfindet, wie er von anderen Arbeitsgruppen in der Literatur berichtet wird. Beim Vergleich von nicht- und semipolaren AlInN-Schichten mit polaren Strukturen konnte nachgewiesen werden, dass sich der Indiumeinbau und die Wachstumsraten für keine dieser Strukturen unterscheiden. Sowohl für die nicht- als auch semipolaren Strukturen konnte gezeigt werden, dass es durch die Wahl der Richtung der Gitteranpassung und der Schichtdicke möglich ist, die Schichten in der Wachstumsebene gezielt hin zu größeren bzw. kleineren Atomabständen relaxieren zu lassen. Durch die gezielte Relaxation der AlInN-Schichten wird die Möglichkeit gegeben, die anisotrope Verspannung von GaInN/GaN-Quantentopfstrukturen zu beeinflussen. Durch eine Relaxation hin zu größeren Atomabständen in der Wachstumsebene sollten höhere Indiumgehalte für diese GaInN/GaN-Quantentopfstrukturen realisierbar werden, womit eine Schließung des sogenannten „Green Gap“ in greifbare Nähe rückt.The main topic of this thesis are the growth via metalorganic vapor phase epitaxy, and characterization of one- and two-dimensionally lattice matched AlInN-layers on polar, non-, and semipolar GaN-substrates and –templates of different orientations. In the first instance, there was a systematic optimization of several growth parameters, like growth temperature, reactor pressure, source fluxes, and V/III-ratio. It became apparent, that the composition of the AlInN-layers is determined primarily by the growth temperature. Measurements via spectroscopic ellipsometry revealed an enhanced contrast in refraction indices of lattice matched AlInN and GaN compared to AlGaN with an aluminum content of 10% and GaN. After that, problems, upcoming during deposition of thick AlInN-layers, has been investigated in detail. A strong deterioration of the surface morphology and some kind of composition splitting come along with the deposition of thick AlInN-layers. It could be demonstrated, that the V-pits, developing during AlInN growth, are rather a consequence than the origin of the arising problems during deposition of thick AlInN-layers. In experiments with tenfold superlattice-structures, it became apparent, that there are strong instabilities in indium incorporation in the first few nanometers of growth. On the basis of these data, physical models for explanation of the observed phenomena basing on a delayed indium incorporation have been developed. Furthermore, it could be proved, that there is no parasitic gallium incorporation into AlInN. Comparing non- and semipolar AlInN-layers with polar structures, there was no difference for indium incorporation efficiency and growth rate. For the nonpolar, as well as for the semipolar AlInN-layers, controlled relaxation in different in-plane directions has been realized by choosing the direction of lattice matching and layer thickness properly. This gives the possibility to specifically influence the anisotropic strain on GaInN/GaN-quantumwell structures. By controlled relaxation towards larger in-plane lattice constants, higher indium contents in GaInN/GaN-quantumwell structures should be realizable. With this, closing the so-called “green gap” is getting within reach
Interferometric determination of topographies of absolute sphere radii
Full text linkDiese Arbeit stellt ein Verfahren vor, das es ermöglicht, mit dem Kugelinterferometer der PTB die absolute Form einer Kugel - also eine Radiustopografie - zu rekonstruieren. Damit lassen sich nicht nur die bei herkömmlichen Rundheitsmessungen ermittelten relativen Formabweichungen, sondern absolute Radien angeben.
Das Kugelinterferometer wurde ursprünglich dafür konzipiert, die Volumenbestimmung von sphärischen Maßverkörperungen - insbesondere der Kugeln des Avogadro-Projekts - über präzise Durchmessermessungen mit einer Unsicherheit von einem Nanometer oder weniger zu ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren implementiert, mit dem der Verwendungszweck des Interferometers auf Bereiche erweitert werden kann, in denen nicht ein Kugelvolumen oder -durchmesser, sondern eine richtungsabhängige Radiusinformation gefragt ist. An Stelle der üblicherweise aus der Auswertung erhaltenen Durchmessertopografie, die punktsymmetrisch zum Kugelmittelpunkt ist und somit keine eindeutige Seitenzuordnung der topografischen Merkmale der Kugeloberfläche zulässt, liefert das beschriebene Stitching-Verfahren erstmals die wirkliche, absolute Form der Kugel auf einige Nanometer genau. An Hand von simulierten Datensätzen wurde die Funktionalität des Stitching-Algorithmus geprüft und bestätigt, um ihn anschließend auf reale Messdatensätze anzuwenden. Die Resultate wurden mit den zugehörigen Durchmessertopografien und zusätzlich mit unabhängigen Ergebnissen von Rundheitsmessungen quantitativ verglichen.
Damit konnte gezeigt werden, dass es am Kugelinterferometer der PTB unter Berücksichtigung des zweiseitigen Messprinzips in Verbindung mit dem Stitching-Verfahren möglich ist, die absolute Form eines sphärischen Messobjekts auf wenige Nanometer genau und berührungslos mit einer höheren lateralen Auflösung als bei taktilen Rundheitsmessungen üblich anzugeben.This thesis presents a method to reconstruct the absolute shape of a sphere - i.e. a topography of radii - using the sphere interferometer of PTB. The method allows for the determination of absolute radii instead of the relative shape deviations which result from conventional roundness measurements.
The sphere interferometer was developed for the volume determination of spherical material measures - in particular the spheres of the Avogadro Project - by precise diameter measurements with an uncertainty of one nanometer or less. In the scope of the present work a procedure has been implemented that extends the applicability of the interferometer to fields where not the volume or the diameter but the direction-dependent radii are of interest. Instead of the usually obtained diameter topography, which is symmetric to the center of the sphere and makes it impossible to allocate topographic characteristics unambiguously, the presented stitching procedure reveals the actual and absolute shape of the sphere under test with an accuracy in the nanometer range. The functionality of the algorithm is proved and validated on the basis of simulated data. Furthermore, it is applied to real measurement data. The results are compared quantitatively to the related diameter topographies and additionally to the independent results of some roundness measurements.
Thus it is shown that it is possible to determine the absolute shape of a spherical object taking into account the two-sided measuring principle of the sphere interferometer of PTB in combination with the stitching procedure. The described approach is a non-contact method with an accuracy of a few nanometers and a higher lateral resolution compared to conventional tactile roundness measurements
Spontaneous Recombination in Group-III Nitride Quantum Wells
Full text linkIt is demonstrated that the strain-induced piezoelectric field in GaInN/GaN and GaN/GaInN single quantum wells leads to a Stark-shift of the optical transitions and a reduction of oscillator strength due to the spatial separation of the electron and hole wave functions. The redshift of time-resolved photoluminescence spectra and the Stokes-shift between absorption and emission can be well explained by the piezoelectric field. Secondly, this work studies asymmetric group-III-nitride quantum well structures consisting of either a GaInN quantum well sandwiched by AlGaN and GaN barriers or asymmetrically doped GaN barriers. The study on the asymmetric GaInN/AlGaN/GaN quantum wells reveals that the oscillator strength critically depends on the position of the AlGaN barrier layer. The emission energy of GaInN/GaN quantum wells with doped GaN barriers shifts towards higher energy compared to that of undoped samples due to screening of the piezoelectric field, but only when the GaN cladding layer below the quantum well is doped. These results indicate a lack of inversion symmetry in GaInN/GaN single quantum wells and provide clear evidence for the existence of the piezoelectric field. Furthermore, both asymmetric structures allow us to determine consistently the direction of the piezoelectric field, which points towards the substrate. Thirdly, time-resolved study reveals multiple emission lines in multiple quantum wells. They are attributed to intra- and interwell transitions which are split by the piezoelectric field.Diese Arbeit zeigt, daß das verspannungsinduzierte piezoelektrische Feld in GaInN/GaN und GaN/GaInN Quantenfilmen zu einer Stark-Verschiebung der optischen Übergänge und einer Reduktion der Oszillatorstärke durch räumliche Trennung der Elektronen- und Lochwellenfunktionen führt. Das piezoelektrische Feld erklärt die Rotverschiebung der zeitaufgelösten Photolumineszenzspektren sowie die Stokes-Verschiebung zwischen Absorption und Emission. Außerdem wurden asymmetrische GaInN-Quantenfilme mit AlGaN und GaN Barrieren bzw. asymmetrisch dotierten GaN- Barrieren untersucht. Wie sich bei den asymmetrischen GaInN/AlGaN/GaN Quantenfilmen zeigt, hängt die Oszillatorstärke entscheidend von der Position der AlGaN-Barriere ab. Die Emissionsenergie der GaInN/GaN Quantenfilme mit dotierten GaN-Barrieren schiebt, im Vergleich zum Fall undotierter GaN-Barrieren, wegen der Abschirmung des piezoelektrischen Feldes zu höheren Energien, jedoch nur dann, wenn die substratseitige GaN-Barriere dotiert ist. Diese Ergebnisse belegen eine fehlende Inversionssymmertrie in GaInN/GaN Einfach-Quantenfilmen und beweisen eindeutig die Existenz des piezoelektrischen Feldes in diesen Strukturen. Übereinstimmend erlauben beide asymmetrischen Strukturen die Bestimmung der Richtung des piezoelektrischen Feldes zum Substrat hin. Schließlich zeigen Messungen an Mehrfach-Quantenfilmen mehrere Emissionslinien. Diese stammen von Intra- und Inter-Quantenfilm-Übergängen, aufgespalten durch das piezoelektrische Feld
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