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- ItemWachstum und Charakterisierung von Seltenerdoxiden und Magnesiumoxid auf Galliumarsenid-Substraten(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2015) Hentschel, ThomasDie Erzeugung spinpolarisierter Ladungsträger in einem Halbleiter gilt als Grundvoraussetzung zur Realisierung spintronischer Bauelemente. Einen möglichen Ansatz zu deren Realisierung stellen Ferromagnet/Halbleiter(FM/HL)-Hybridstrukturen dar, deren Herstellung jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden ist. Durch die Vermischung des ferromagnetischen Materials mit dem Halbleiter werden die elektronischen Eigenschaften der Hybridstruktur verändert und die Spininjektionseffizienz stark verringert. Durch das gezielte Einfügen einer dünnen Oxidschicht in den FM/HL-Grenzübergang kann die Diffusion unterdrückt, die Kristallqualität verbessert und die Effizienz der Struktur erhöht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wachstum und der Charakterisierung dünner Oxidschichten, hergestellt mittels Molekularstrahlepitaxie. Zwei Seltenerdoxide, La2O3 und Lu2O3, werden auf GaAs-Substraten gewachsen und die Kristallqualität der Schichten miteinander verglichen. Mit der Heusler-Legierung Co2FeSi als Injektorschicht wird eine FM/Oxid/HL-Hybridstruktur auf Basis einer La2O3/GaAs(111)B-Struktur realisiert und magnetisch und elektrisch charakterisiert. Ein häufig verwendetes Barrierenmaterial in FM/HL-Hybridstrukturen ist Magnesiumoxid (MgO). In dieser Arbeit werden dünne MgO-Schichten auf GaAs(001) an der PHARAO-Wachstumsanlage am BESSY II erzeugt. Dies geschieht durch getrenntes Verdampfen von metallischem Mg bzw. Einleiten von molekularem Sauerstoff in die Wachstumskammer. Um die Oxidation des Halbleitersubstrats zu verhindern, wird vor dem MgO-Wachstum eine dünne Mg-Schicht abgeschieden. Abhängig von der Dicke dieser Schicht sind zwei in-plane-Orientierungen des MgO relativ zum GaAs kontrolliert einstellbar. Darüber hinaus werden Hybridstrukturen mit Eisen Fe als Injektorschicht und schrittweise erhöhter MgO-Schichtdicke gewachsen. Die Eindiffusion von Fe in das GaAs-Substrat nimmt mit zunehmender MgO-Schichtdicke um mehrere Größenordnungen ab.
- ItemLuminescence of group-III-V nanowires containing heterostructures – the role of polytypism, polarization fields and carrier localization(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2013) Lähnemann, JonasIn dieser Dissertation wird die spektrale und örtliche Verteilung der Lumineszenz von Heterostrukturen in selbstorganisierten Nanodrähten (ND) mit Hilfe von Kathodolumineszenz-Spektroskopie (KL) im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Diese Methode wird ergänzt durch Messungen der kontinuierlichen und zeitaufgelösten Mikro-Photolumineszenz. Drei verschiedene Strukturen werden behandelt: (i) GaAs-ND bestehend aus Segmenten der Wurtzit (WZ) bzw. Zinkblende (ZB) Kristallstrukturen, (ii) auf GaN-ND überwachsene GaN-Mikrokristalle und (iii) (In,Ga)N Einschlüsse in GaN-ND. Die gemischte Kristallstruktur der GaAs-ND führt zu komplexen Emissionsspektren. Dabei wird entweder ausschließlich Lumineszenz bei Energien unterhalb der ZB Bandlücke, oder aber zusätzlich bei höheren Energien, gemessen. Diese Differenz wird durch unterschiedliche Dicken der ZB und WZ Segmente erklärt. Messungen bei Raumtemperatur zeigen, dass die Bandlücke von WZ-GaAs mindestens 55 meV größer als die von ZB-GaAs ist. Die Lumineszenz-Spektren der GaN-Mikrokristalle enthalten verschiedene Emissionslinien, die auf Stapelfehler (SF) zurückzuführen sind. SF sind ZB Quantentöpfe verschiedener Dicke in einem WZ-Kristall und es wird gezeigt, dass ihre Emissionsenergie durch die spontane Polarisation bestimmt wird. Aus einer detaillierten statistischen Analyse der Emissionsenergien der verschiedenen SF-Typen werden Emissionsenergien von 3.42, 3.35 und 3.29 eV für die intrinsischen (I1 und I2) sowie für extrinsische SF ermittelt. Aus den entsprechenden Energiedifferenzen wird -0.022C/m² als experimenteller Wert für die spontane Polarisation von GaN bestimmt. Die Bedeutung sowohl der piezoelektrischen Polarisation als auch die der Lokalisierung von Ladungsträgern wird für (In,Ga)N-Einschlüsse in GaN-ND gezeigt. Hierbei spielt nicht nur die Lokalisierung von Exzitonen, sondern auch die individueller Elektronen und Löcher an unterschiedlichen Potentialminima eine Rolle.
- ItemFabrication and characterization of graphene nanoribbons epitaxially grown on SiC(0001)(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Aranha Galves, LaurenEinzelschichten von Graphen-Nanobänders (GNRs) wurden auf SiC(0001)-Substraten mit zwei unterschiedlichen Fehlschnitten bei Temperaturen von 1410 bis 1460 °C synthetisiert. Das GNR-Wachstum lässt sich bei niedriger Stufenkantenhöhe am besten durch eine exponentielle Wachstumsrate, welche mit der Energiebarriere für die Ausdiffusion von Si korreliert ist. Anderseits wird bei Substraten mit höheren Stufenkanten eine nicht-exponentielle Rate beobachtet, was mit der Bildung von mehrlagigen Graphen an den Stufenkanten in Verbindung gebracht wird. Die Sauerstoffinterkalation von epitaktischen GNRs mittels Ausglühen an Luft von Bändern wird als nächstes untersucht, welche auf unterschiedlichen SiC-Substraten gewachsen wurden. Neben der Umwandlung von monolagigem zu zweilagigem Graphen in der Nähe der Stufenkanten von SiC, führt die Sauerstoffinterkalation zusätzlich zu der Bildung einer Oxidschicht auf den Terrassen des Substrats, was die zweilagigen GNRs elektrisch isoliert voneinander zurücklässt. Die elektrische Charakterisierung der zweilagigen GNRs zeigten dass die Bänder durch die Behandlung mit Sauerstoff elektrisch voneinander entkoppelt sind. Eine robuste Lochkonzentration von etwa 1x10¹³ cm-² und Mobilitäten von bis zu 700 cm²/(Vs) wurden für die GNRs mit einer typischen Breite von 100 nm bei Raumtemperatur gemessen. Wohl definierte Mesastrukturen gebildet mittels Elektronenstrahllithographie auf SiC-Substraten, wurde zuletzt untersucht. Die Charakterisierung des Ladungsträgertransports von GNRs die auf den Seitenwänden der strukturierten Terrassen gewachsen wurden, zeigt eine Mobilität im Bereich von 1000 bis 2000 cm²/(Vs), welche für verschiedene Strukturen auf der gesamten Probe homogen ist, was die Reproduzierbarkeit dieses Herstellungsverfahrens hervorhebt, sowie dessen Potential für die Implementierung in zukünftigen Technologien, welche auf epitaktischgewachsenene GNRs basieren.
- ItemGrowth and properties of GaAs/(In,Ga)As core-shell nanowire arrays on Si(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Küpers, HannoDiese Arbeit präsentiert Untersuchungen zum Wachstum von GaAs Nanodrähten (NWs) und (In,Ga)As Hüllen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) mit sekundärem Fokus auf den optischen Eigenschaften solcher Kern-Hülle Strukturen. Das ortsselektive Wachstum von GaAs NWs auf mit Oxidmasken beschichteten Si Substraten wird untersucht, wobei der entscheidende Einfluss der Oberflächenpreparation auf die vertikale Ausbeute von NW Feldern aufgedeckt wird. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein zweistufiger Wachstumprozess präsentiert der es ermöglicht NWs mit dünner und gerade Morphologie zu erhalten ohne die vertikale Ausbeute zu verringern. Für die detaillierte Beschreibung der NW Form wird ein Wachstumsmo- dell entwickelt, das die Einflüsse der Veränderung der Tropfen Größe während des Wachstums sowie direktes des Wachstums auf den NW Seitenwänden umfassend beschreibt. Dieses Wachstumsmodell wird benutzt für die Vorhersage der NW Form über einen großen Parameterraum um geeignete Bedingungen für die Realisierung von erwünschten NW Formen und Dimensionen zu finden. Ausgehend von diesen NW Feldern werden die optimalen Parameter für das Wachstum von (In,Ga)As Hüllen untersucht und wir zeigen, dass die Anordnung der Materialquellen im MBE System die Materialqualität entscheidend beeinflusst. Die dreidimensionale Struktur der NWs in Kombination mit der Substratrotation und der Richtungsabhängigkeit der Materialflüsse in MBE resultieren in unterschiedlichen Flusssequenzen auf der NW Seitenfacette welche die Wachstumsdynamik und infolgedessen die Punktde- fektdichte bestimmen. An Proben mit optimaler (In,Ga)As Hülle und äußerer GaAs Hülle zeigen wir, dass thermionische Emission mit anschließender nichtstrahlender Rekombination auf der Oberfläche zu einem starken thermischen Verlöschen der Lumineszenz Intensität führt, welches durch das Hinzufügen einer AlAs Barrierenhülle zur äußeren Hüllenstruktur erfolgreich unterdrückt werden kann. Abschließend wird ein Prozess präsentiert der das ex-situ Tempern von NWs bei hohen Temperaturen ermöglicht, was in der Reduzierung von Inhomogenitäten in den (In,Ga)As Hüllenquantentöpfen führt und in beispiellosen optischen Eigenschaften resultiert.
- ItemDevelopment of terahertz quantum-cascade lasers as sources for heterodyne receivers(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2012) Wienold, MartinThis thesis presents the development and optimization of terahertz quantum-cascade lasers (THz QCLs) as sources for heterodyne receivers. A particular focus is on single-mode emitters for the heterodyne detection of the important astronomic oxygen (OI) line at 4.75 THz. Various active-region designs are investigated. High-output-power THz QCLs with low operating voltages and emission around 3 THz are obtained for an active region, which involves phonon-assisted intersubband transitions. While these QCLs are based on a GaAs/Al_xGa_(1-x)As heterostructure with x=0.15, similar heterostructures with x=0.25 allowed for very low threshold current densities. By successive modifications of the active-region design, THz QCLs have been optimized toward the desired frequency at 4.75 THz. To obtain single-mode operation, first-order lateral distributed-feedback (DFB) gratings are investigated. It shows that such gratings allow for single-mode operation in combination with high continuous-wave (cw) output powers. A general method is presented to calculate the coupling coefficients of lateral gratings. In conjunction with this method, the lasers are well described by the coupled-mode theory of DFB lasers with two reflective end facets. Single-mode operation within the specified frequency bands at 4.75 THz is demonstrated. Stable operation of THz QCLs is often in conflict with the occurrence of a negative differential resistance (NDR) regime at elevated field strengths and the formation of electric-field domains (EFDs). Stationary EFDs are shown to be related to discontinuities in the cw light-current-voltage characteristics, while non-stationary EFDs are related to current self-oscillations and cause a temporal modulation of the output power. To model such effects, the nonlinear transport equations of weakly coupled superlattices are adopted for QCLs by introducing an effective drift velocity-field relation. Zugriffsstatistik:
- ItemHochauflösende Rutherford-Streuspektrometrie zur Untersuchung von ZrO2-Schichtwachstum im Anfangsstadium(Dresden : Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, 2010) Vieluf, Maik[no abstract available]
- ItemSteps towards a GaN nanowire based light emitting diode and its integration with Si-MOS technology(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2012) Limbach, Friederichhis 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.
- ItemInvestigation and comparison of GaN nanowire nucleation and growth by the catalyst-assisted and self-induced approaches(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2010) Chèze, CarolineThis work focuses on the nucleation and growth mechanisms of GaN nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE). The main novelties of this study are the intensive employment of in-situ techniques and the direct comparison of self-induced and catalyst-induced NWs. On silicon substrates, GaN NWs form in MBE without the use of any external catalyst seed. On sapphire, in contrast, NWs grow under identical conditions only in the presence of Ni seeds. The processes leading to NW nucleation are fundamentally different for both approaches. In the catalyst-assisted approach, Ga strongly reacts with the catalyst Ni particles whose crystal structure and phases are decisive for the NW growth, while in the catalyst-free approach, N forms an interfacial layer with Si before the intense nucleation of GaN starts. Both approaches yield monocrystalline wurtzite GaN NWs, which grow in the Ga-polar direction. However, the catalyst-assisted NWs are longer than the catalyst-free ones after growth under identical conditions, and they contain many stacking faults. By comparison the catalyst-free NWs are largely free of defects and their photoluminescence is much more intense than the one of the catalyst-assisted NWs. All of these differences can be explained as effects of the catalyst. The seed captures Ga atoms arriving at the NW tip more efficiently than the bare top facet in the catalyst-free approach. In addition, stacking faults could result from both the presence of the additional solid phase constituted by the catalyst-particles and the contamination of the NWs by the catalyst material. Finally, such contamination would generate non-radiative recombination centers. Thus, the use of catalyst seeds may offer an additional way to control the growth of NWs, but both the structural and the optical material quality of catalyst-free NWs are superior.
- ItemEntwicklung und Charakterisierung von Instrumenten zur hochauflösenden Spektropolarimetrie(Freiburg : Universität Freiburg, 2016) Schubert, Matthias JohannesKontext Unsere Sonne stellt ein einzigartiges Hochenergie-Plasmalabor dar, welches mit Teleskopen räumlich aufgelöst studiert werden kann. Hier ist es möglich, die moderne Physik an Hand von Beobachtungen zu verifizieren und zu erweitern, welche durch Experimente nicht erfasst werden können. Aktuelle Simulationen der Magnetokonvektion zur Beschreibung der dynamischen Vorgänge erreichen zum Beispiel in der solaren Photosphäre eine räumliche Auflösung bis zu 6km bei einer Wellenlänge von 500nm und modellieren im Ansatz die Entstehung von Poren, Sonnenflecken oder koronalen Massenauswürfen. Mit Hilfe hochaufgelöster spektropolarimetrischer Beobachtungen und den daraus gewonnenen zweidimensionalen Karten der Dopplergeschwindigkeiten und zugehörigen magnetischen Feldvektoren in unterschiedlichen solaren Atmosphärenschichten müssen diese Modelle überprüft werden. Durch den Bau eines neuen bodengebundenen 4 m-Teleskops und der Entwicklung eines zweidimensionalem Spektropolarimeters stehen in naher Zukunft Werkzeuge zur Verfügung, um hochdynamische, kleinskalige Prozesse für wissenschaftliche Studien zu beobachten. Zielsetzung Entwicklung eines Simulationsalgorithmus zur Beschreibung der instrumentellen Einflüsse eines zweidimensionalen Spektropolarimeters auf physikalische Messungen. Das zu entwickelnde Filterinstrument besteht aus einem Vorfilter, einer Kombination aus zwei oder drei Fabry-Pérot-Interferometern (FPI) und einem Polarisationsmodulator. Da die induzierten Fehler auf wissenschaftliche Beobachtungen nicht vernachlässigbar sind, ist es notwendig, passende Methoden zur Datenkalibration zu entwickeln. Aus den simulierten Fehlern auf physikalische Messgrößen und den Untersuchungen zur Datenkalibration werden aus den Ergebnissen Bedingungen an den Herstellungsprozess des Filterinstrumentes abgeleitet, sodass die geforderte physikalische Messgenauigkeit erfüllt ist. Methoden Da das Kiepenheuer-Institut ein baugleiches Instrument auf Teneriffa am Vakuum-Turm-Teleskop am Observatorio del Teide betreibt, wurde hier eine Charakterisierungskampagne durchgeführt, um die instrumentellen Einflüsse auf wissenschaftliche Beobachtungen unter realistischen Bedingungen zu bestimmen. Diese Untersuchungen bildeten die Grundlage der im Simulationsalgorithmus berücksichtigten instrumentellen Fehlerquellen: Mikrorauigkeit, Reflektivitäts- und Formfehler der Plattenoberflächen der FPIs, das Photonenrauschen, dem Öffnungsverhältnis des Strahlengangs und der Abstand der einzelnen FPIs zu einer definierten Fokalebene des Teleskopes. Formfehler, die Mikrorauigkeit und Reflektivitätsfehler der Plattenoberflächen der FPIs verschieben und verbreitern zum Beispiel das zu beobachtende Linienprofil. Daher wird ein Fehler in zu ermittelnden Dopplergeschwindigkeits- oder Halbwertsbreitenkarten der solaren Oberfläche induziert. Außerdem gibt der Photonenfluss, bzw. das Photonenrauschen die Sensibilität für Messungen der magnetischen Feldstärke vor. Zum Studium der Messgenauigkeit des Filterinstrumentes wurden Beobachtungen der ruhigen Sonne in der Photosphäre simuliert und an Hand dessen der Einfluss instrumenteller Fehler angegeben. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss zweier unterschiedliche Konfigurationen des Instrumentes auf wissenschaftliche Sonnenbeobachtungen untersucht: Instrument 1 mit einer spektralen Bandbreite 3.8pm und Instrument 2 mit 6.1pm (die spektralen Bandbreiten gelten für eine Wellenlänge von 630 nm). In den Simulationen wurden die Positionen der FPIs im optischen Strahlengang einmal als theoretisch genau in der Fokalebene liegend angenommen und das andere mal in einem spezifischem Abstand hierzu, wodurch der Effekt einer defokussierten Installation der einzelnen Interferometer untersucht werden konnte. Ergebnisse Die Simulationsergebnisse für die Mikrorauigkeiten konnten zeigen, dass eine defokussierte Installation der FPIs im Strahlengang, in Abhängigkeit zum Öffnungsverhältnis, die induzierten Fehler in den Linienkernpositionen reduziert, jedoch die Halbwertsbreiten stark zunehmen. Außerdem konnte der in dieser Arbeit entwickelte Kalibrationsalgorithmus an Hand der Simulationen verifiziert werden und stellt ein effektives Werkzeug zur Reduzierung der induzierten Linienverschiebungen, bzw. Dopplergeschwindigkeitsfehler um einen Faktor 10 dar. Zusammenfassend wurden aus den simulierten Beobachtungen und der Effektivität der Kalibrationsmethode die Grenzwerte für die Oberflächenqualität der FPIs für den Herstellungsprozess abgeleitet, sodass die geforderte physikalische Messgenauigkeit erfüllt ist. Aus einem Vergleich beider Instrumente konnte gezeigt werden, dass für die geforderte Messgenauigkeiten das Instrument mit geringerer spektraler Auflösung die Anforderungen am Besten erfüllt und somit realisiert wird. Ausblick In der vorliegenden Arbeit wurde ein Softwarepaket entwickelt, welches die relevanten, beeinflussenden Parameter auf wissenschaftliche Beobachtungen mit einem zweidimensionalen Multi-Fabry-Pérot-Spektrometer mit Polarisationsmodulator beschreibt. Für zukünftige Projekte steht nun ein Werkzeug zu Verfügung, mit Hilfe dessen verschiedene Instrumentenkonfigurationen an Hand simulierter Beobachtungen getestet und optimiert werden können. Somit ist eine Möglichkeit geschaffen, die benötigte Oberflächenqualität der FPIs, die Form und Transmission des Vorfilter und die Effizienz des Polarisationsmodulators aus Bedingungen an die Messgenauigkeit abzuleiten. Zusätzlich kann das hier entwickelte Softwarepaket auch dazu verwendet werden, Beobachtungsszenarien zu entwickeln (Belichtungszeiten, Anzahl spektraler Abtastschritte, Akkumulationen, ...), welche von der Größe und zeitlichen Entwicklung, den zu erwartenden zugehörigen Magnetfeldern und dem Photonenfluss in der Detektorebene der zu untersuchenden solaren Strukturen vorgegeben wird.
- ItemMolecular beam epitaxy of GaAs nanowires and their suitability for optoelectronic applications – comparing Au- and self-assisted growth methods(Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2011) Breuer, SteffenIn this work the synthesis of GaAs nanowires by molecular beam epitaxy (MBE) using the vapour-liquid-solid (VLS) mechanism is investigated. A comparison between Au- and self-assisted VLS growth is at the centre of this thesis. While the Au-assisted method is established as a versatile tool for nanowire growth, the recently developed self-assisted variation results from the exchange of Au by Ga droplets and thus eliminates any possibility of Au incorporation. By both methods, we achieve nanowires with epitaxial alignment to the Si(111) substrates. Caused by differences during nanowire nucleation, a parasitic planar layer grows between the nanowires by the Au-assisted method, but can be avoided by the self-assisted method. Au-assisted nanowires grow predominantly in the metastable wurtzite crystal structure, while their self-assisted counterparts have the zincblende structure. All GaAs nanowires are fully relaxed and the strain arising from the lattice mismatch between GaAs and Si of 4.1\% is accommodated by misfit dislocations at the interface. Self-assisted GaAs nanowires are generally found to have vertical and non-polar side facets, while tilted and polar nanofacets were described for Au-assisted GaAs nanowires. We employ VLS nucleation theory to understand the effect of the droplet material on the lateral facets. Optoelectronic applications require long minority carrier lifetimes at room temperature. We fabricate GaAs/(Al,Ga)As core-shell nanowires and analyse them by transient photoluminescence (PL) spectroscopy. The results are 2.5 ns for the self-assisted nanowires as well as 9 ps for the Au-assisted nanowires. By temperature-dependent PL measurements we find a characteristic activation energy of 77 meV that is present only in the Au-assisted nanowires. We conclude that most likely Au is incorporated from the droplets into the GaAs nanowires and acts as a deep, non-radiative recombination centre.