Novel processes, test structures and characterisation for future germanium technologies

In order to widely use Ge and III-V materials instead of Si in advanced CMOS technology, the process and integration of these materials has to be well established so that their high mobility benefit is not swamped by imperfect manufacturing procedures. In this dissertation number of key bottlenecks in realization of Ge devices are investigated; We address the challenge of the formation of low resistivity contacts on n-type Ge, comparing conventional and advanced rapid thermal annealing (RTA) and laser thermal annealing (LTA) techniques respectively. LTA appears to be a feasible approach for realization of low resistivity contacts with an incredibly sharp germanide-substrate interface and contact resistivity in the order of 10 -7 Ω.cm2. Furthermore the influence of RTA and LTA on dopant activation and leakage current suppression in n+/p Ge junction were compared. Providing very high active carrier concentration > 1020 cm-3, LTA resulted in higher leakage current compared to RTA which provided lower carrier concentration ~1019 cm-3. This is an indication of a trade-off between high activation level and junction leakage current. High ION/IOFF ratio ~ 107 was obtained, which to the best of our knowledge is the best reported value for n-type Ge so far. Simulations were carried out to investigate how target sputtering, dose retention, and damage formation is generated in thin-body semiconductors by means of energetic ion impacts and how they are dependent on the target physical material properties. Solid phase epitaxy studies in wide and thin Ge fins confirmed the formation of twin boundary defects and random nucleation growth, like in Si, but here 600 °C annealing temperature was found to be effective to reduce these defects. Finally, a non-destructive doping technique was successfully implemented to dope Ge nanowires, where nanowire resistivity was reduced by 5 orders of magnitude using PH3 based in-diffusion process.

Computational modeling of defects in nanoscale device materials

This PhD thesis concerns the computational modeling of the electronic and atomic structure of point defects in technologically relevant materials. Identifying the atomistic origin of defects observed in the electrical characteristics of electronic devices has been a long-term goal of first-principles methods. First principles simulations are performed in this thesis, consisting of density functional theory (DFT) supplemented with many body perturbation theory (MBPT) methods, of native defects in bulk and slab models of In0.53Ga0.47As. The latter consist of (100) - oriented surfaces passivated with A12O3. Our results indicate that the experimentally extracted midgap interface state density (Dit) peaks are not the result of defects directly at the semiconductor/oxide interface, but originate from defects in a more bulk-like chemical environment. This conclusion is reached by considering the energy of charge transition levels for defects at the interface as a function of distance from the oxide. Our work provides insight into the types of defects responsible for the observed departure from ideal electrical behaviour in III-V metal-oxidesemiconductor (MOS) capacitors. In addition, the formation energetics and electron scattering properties of point defects in carbon nanotubes (CNTs) are studied using DFT in conjunction with Green’s function based techniques. The latter are applied to evaluate the low-temperature, low-bias Landauer conductance spectrum from which mesoscopic transport properties such as the elastic mean free path and localization length of technologically relevant CNT sizes can be estimated from computationally tractable CNT models. Our calculations show that at CNT diameters pertinent to interconnect applications, the 555777 divacancy defect results in increased scattering and hence higher electrical resistance for electron transport near the Fermi level.

Theory of the electronic and optical properties of dilute bismide alloys

Dilute bismide alloys, containing small fractions of bismuth (Bi), have recently attracted interest due to their potential for applications in a range of semiconductor devices. Experiments have revealed that dilute bismide alloys such as GaBixAs1−x, in which a small fraction x of the atoms in the III-V semiconductor GaAs are replaced by Bi, exhibit a number of unusual and unique properties. For example, the band gap energy (E g) decreases rapidly with increasing Bi composition x, by up to 90 meV per % Bi replacing As in the alloy. This band gap reduction is accompanied by a strong increase in the spin-orbit-splitting energy (ΔSO) with increasing x, and both E g and ΔSO are characterised by strong, composition-dependent bowing. The existence of a ΔSO > E g regime in the GaBixAs1−x alloy has been demonstrated for x ≳10%, a band structure condition which is promising for the development of highly efficient, temperature stable semiconductor lasers that could lead to large energy savings in future optical communication networks. In addition to their potential for specific applications, dilute bismide alloys have also attracted interest from a fundamental perspective due to their unique properties. In this thesis we develop the theory of the electronic and optical properties of dilute bismide alloys. By adopting a multi-scale approach encompassing atomistic calculations of the electronic structure using the semi-empirical tight-binding method, as well as continuum calculations based on the k•p method, we develop a fundamental understanding of this unusual class of semiconductor alloys and identify general material properties which are promising for applications in semiconductor optoelectronic and photovoltaic devices. By performing detailed supercell calculations on both ordered and disordered alloys we explicitly demonstrate that Bi atoms act as isovalent impurities when incorporated in dilute quantities in III-V (In)GaAs(P) materials, strongly perturbing the electronic structure of the valence band. We identify and quantify the causes and consequences of the unusual electronic properties of GaBixAs1−x and related alloys, and our analysis is reinforced throughout by a series of detailed comparisons to the results of experimental measurements. Our k•p models of the band structure of GaBixAs1−x and related alloys, which we derive directly from detailed atomistic calculations, are ideally suited to the study of dilute bismide-based devices. We focus in the latter part of the thesis on calculations of the electronic and optical properties of dilute bismide quantum well lasers. In addition to developing an understanding of the effects of Bi incorporation on the operational characteristics of semiconductor lasers, we also present calculations which have been used explicitly in designing and optimising the first generation of GaBixAs1−x-based devices.

Optical Characterization of Indium Gallium Nitride for Application in High-Efficiency Solar Photovoltaic Cells

The semiconductor alloy indium gallium nitride (InxGa1-xN) offers substantial potential in the development of high-efficiency multi-junction photovoltaic devices due to its wide range of direct band gaps, strong absorption and other optoelectronic properties. This work uses a variety of characterization techniques to examine the properties of InxGa1-xN thin films deposited in a range of compositions by a novel plasma-enhanced evaporation deposition system. Due to the high vapour pressure and low dissociation temperature of indium, the indium incorporation and, ultimately, control of the InxGa1-xN composition was found to be influenced to a greater degree by deposition temperature than variations in the In:Ga source rates in the investigated region of deposition condition space. Under specific deposition conditions, crystalline films were grown in an advantageous nano-columnar microstructure with deposition temperature influencing column size and density. The InxGa1-xN films were determined to have very strong absorption coefficients with band gaps indirectly related to indium content. However, the films also suffer from compositional inhomogeneity and In-related defect complexes with strong phonon coupling that dominates the emission mechanism. This, in addition to the presence of metal impurities, harms the alloy’s electronic properties as no significant photoresponse was observed. This research has demonstrated the material properties that make the InxGa1-xN alloy attractive for multi-junction solar cells and the benefits/drawbacks of the plasma-enhanced evaporation deposition system. Future work is needed to overcome significant challenges relating to crystalline quality, compositional homogeneity and the optoelectronic properties of In-rich InxGa1-xN films in order to develop high-performance photovoltaic devices.

Prospective comparison of clinical prognostic scores in elderly patients with pulmonary embolism.

Background: The Geneva Prognostic Score (GPS), the Pulmonary Embolism Severity Index (PESI), and its simplified version (sPESI) are well known clinical prognostic scores for pulmonary embolism (PE).Objectives: To compare the prognostic performance of these scores in elderly patients with PE. Patients/Methods: In a multicenter Swiss cohort of elderly patients with venous thromboembolism, we prospectively studied 449 patients aged ≥65 years with symptomatic PE. The outcome was 30-day overall mortality. We dichotomized patients as low- vs. higher-risk in all three scores using the following thresholds: GPS scores ≤2 vs. >2, PESI risk classes I-II vs. III-V, and sPESI scores 0 vs. ≥1. We compared 30-day mortality in low- vs. higher-risk patients and the areas under the receiver operating characteristic curve (ROC). Results: Overall, 3.8% of patients (17/449) died within 30 days. The GPS classified a greater proportion of patients as low risk (92% [413/449]) than the PESI (36.3% [163/449]) and the sPESI (39.6% [178/449]) (P<0.001 for each comparison). Low-risk patients based on the sPESI had a mortality of 0% (95% confidence interval [CI] 0-2.1%) compared to 0.6% (95% CI 0-3.4%) for low-risk patients based on the PESI and 3.4% (95% CI 1.9-5.6%) for low-risk patients based on the GPS. The areas under the ROC curves were 0.77 (95%CI 0.72-0.81), 0.76 (95% CI 0.72-0.80), and 0.71 (95% CI 0.66-0.75), respectively (P=0.47). Conclusions: In this cohort of elderly patients with PE, the GPS identified a higher proportion of patients as low-risk but the PESI and sPESI were more accurate in predicting mortality.

Relation entre l’environnement familial et le comportement sexuel des adolescents au Burkina Faso

La thèse porte sur la relation entre l’environnement familial et le comportement sexuel des adolescents vivant dans un contexte de socialisation. L’environnement familial est mesuré par le type de famille de résidence, le type d’union du chef de ménage, la survie des parents, la cohabitation avec les grands-parents et le nombre de personnes de moins de 20 ans par adulte dans le ménage. Le comportement sexuel est opérationnalisé par l’entrée en sexualité prémaritale, l’utilisation du condom au premier rapport sexuel, le nombre de partenaires sexuels, le recours au partenaire sexuel occasionnel et l’utilisation systématique du condom au cours des douze derniers mois. Les données proviennent d’enquêtes transversales. Elles ont servi à établir des associations entre les indicateurs des deux concepts. Les résultats sont présentés dans trois articles (Chapitres III à V). Une analyse descriptive de l’environnement familial au Burkina Faso montre qu’une majorité des enfants de 0 à 14 ans (78,4% en 1993 et 77,6% en 2003) et des adolescents de 12 à 19 ans (61,1% en 2004) vit auprès des deux parents, en union monogame ou polygame. Cependant, certains enfants et adolescents résident avec les parents dans des ménages dirigés par d’autres personnes. Le décès des parents (7,7% en 1993 et 7,3% en 2003 pour les enfants; 16,5% en 2004 pour les adolescents), la pratique du confiage (10,4% en 1993 et 8,9% en 2003 pour les enfants; 26,9% en 2004 pour les adolescents) et la monoparentalité (11,2% en 1993 et 13,6% en 2003 pour les enfants; 12% en 2004 pour les adolescents) affectent amplement l’environnement familial. C’est dans l’adolescence que les individus sont plus nombreux à être privés de la présence des deux parents. Il existe une association statistique significative entre l’environnement familial et le comportement sexuel des adolescents du Burkina Faso. Cette relation varie en fonction de l’indicateur de comportement à l’étude et du sexe des adolescents ciblés. Par exemple, l’absence des deux parents dans le ménage n’est pas systématiquement associée au comportement sexuel à risque. S’agissant des indicateurs de comportement sexuel, l’âge au premier rapport sexuel est associé significativement aux autres indicateurs des garçons et des filles. Une entrée précoce en sexualité (avant 14 ans) est associée à une plus grande probabilité d’adoption de comportement sexuel à risque. Toutefois, elle est moins susceptible d’être associée au recours à plusieurs partenaires sexuels. Les résultats ont conduit à des recommandations pour les politiques et les programmes de santé sexuelle et reproductive. Au Burkina Faso, la priorité des futures actions devrait viser la sensibilisation des parents, des tuteurs et des adultes du ménage pour l’éducation, le soutien et le suivi de tous les adolescents, sans exception de sexe et de statut dans la sexualité. Les institutions extrafamiliales, comme l’école, devraient être mises à contribution pour appuyer l’effort des membres de la famille. Une stratégie combinée de promotion du report de l’entrée en sexualité et de l’éducation sexuelle pourrait être un moyen plus sûr et plus sécuritaire pour protéger la santé dans l’adolescence.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

High-Speed Semiconductor Lasers based on Low-Dimensional Active Materials for Optical Telecommunication

The scope of this work is the fundamental growth, tailoring and characterization of self-organized indium arsenide quantum dots (QDs) and their exploitation as active region for diode lasers emitting in the 1.55 µm range. This wavelength regime is especially interesting for long-haul telecommunications as optical fibers made from silica glass have the lowest optical absorption. Molecular Beam Epitaxy is utilized as fabrication technique for the quantum dots and laser structures. The results presented in this thesis depict the first experimental work for which this reactor was used at the University of Kassel. Most research in the field of self-organized quantum dots has been conducted in the InAs/GaAs material system. It can be seen as the model system of self-organized quantum dots, but is not suitable for the targeted emission wavelength. Light emission from this system at 1.55 µm is hard to accomplish. To stay as close as possible to existing processing technology, the In(AlGa)As/InP (100) material system is deployed. Depending on the epitaxial growth technique and growth parameters this system has the drawback of producing a wide range of nano species besides quantum dots. Best known are the elongated quantum dashes (QDash). Such structures are preferentially formed, if InAs is deposited on InP. This is related to the low lattice-mismatch of 3.2 %, which is less than half of the value in the InAs/GaAs system. The task of creating round-shaped and uniform QDs is rendered more complex considering exchange effects of arsenic and phosphorus as well as anisotropic effects on the surface that do not need to be dealt with in the InAs/GaAs case. While QDash structures haven been studied fundamentally as well as in laser structures, they do not represent the theoretical ideal case of a zero-dimensional material. Creating round-shaped quantum dots on the InP(100) substrate remains a challenging task. Details of the self-organization process are still unknown and the formation of the QDs is not fully understood yet. In the course of the experimental work a novel growth concept was discovered and analyzed that eases the fabrication of QDs. It is based on different crystal growth and ad-atom diffusion processes under supply of different modifications of the arsenic atmosphere in the MBE reactor. The reactor is equipped with special valved cracking effusion cells for arsenic and phosphorus. It represents an all-solid source configuration that does not rely on toxic gas supply. The cracking effusion cell are able to create different species of arsenic and phosphorus. This constitutes the basis of the growth concept. With this method round-shaped QD ensembles with superior optical properties and record-low photoluminescence linewidth were achieved. By systematically varying the growth parameters and working out a detailed analysis of the experimental data a range of parameter values, for which the formation of QDs is favored, was found. A qualitative explanation of the formation characteristics based on the surface migration of In ad-atoms is developed. Such tailored QDs are finally implemented as active region in a self-designed diode laser structure. A basic characterization of the static and temperature-dependent properties was carried out. The QD lasers exceed a reference quantum well laser in terms of inversion conditions and temperature-dependent characteristics. Pulsed output powers of several hundred milli watt were measured at room temperature. In particular, the lasers feature a high modal gain that even allowed cw-emission at room temperature of a processed ridge wave guide device as short as 340 µm with output powers of 17 mW. Modulation experiments performed at the Israel Institute of Technology (Technion) showed a complex behavior of the QDs in the laser cavity. Despite the fact that the laser structure is not fully optimized for a high-speed device, data transmission capabilities of 15 Gb/s combined with low noise were achieved. To the best of the author`s knowledge, this renders the lasers the fastest QD devices operating at 1.55 µm. The thesis starts with an introductory chapter that pronounces the advantages of optical fiber communication in general. Chapter 2 will introduce the fundamental knowledge that is necessary to understand the importance of the active region`s dimensions for the performance of a diode laser. The novel growth concept and its experimental analysis are presented in chapter 3. Chapter 4 finally contains the work on diode lasers.

1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications

In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.

Fabrication of diamond nanostructures and investigation of the imbedded NV centers

Diamant ist ein Material mit vielen außerordentlichen Eigenschaften, die ihn zu einem äußerst vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in Wissen-schaft und Technik machen. In den letzten Jahren wurde Diamant häufig als einzigartige Plattform für neue Anwendungen beispielsweise in der Quanteninformationstechnologie (QIT) oder in der Magnetometrie im Nanometermaßstab eingesetzt, wobei einer der wichtigsten lumineszierenden Gitterdefekte im Diamantgitter eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um die sogenannten Stickstoff/Fehlenstellen-Farbzentren (NV-Zentren), die im sichtbaren Bereich mit einer absoluten Photostabilität bei Raumtemperatur emittieren. In dieser Arbeit wurden NV-Zentren in Diamantnanokristalliten und –nanosäulen untersucht, die während des Wachstumsprozesses erzeugt wurden. Einzelne Diamantnanokristallite und nanokristalline Diamantschichten (NCD), aus denen Nanosäulen geätzt wurden, wurden mithilfe der Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) abgeschieden. Zu Vergleichszwecken wurden auch ultrananokristalline Diamantschichten (UNCD) mittels Mikrowellen-CVD (MWCVD) hergestellt. Die Filme wurden sorgfältig in Bezug auf ihre Morphologie, kristallinen Eigenschaften und Zusammensetzung untersucht. Um die Möglichkeit einer Integration dieser Diamantschichten mit temperaturempfindlichen Materialien wie III/V-Halbleitern, Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt oder Polymeren zu untersuchen, wurde der Einfluss der Substrattemperatur ermittelt. Eindimensionale NCD- und UNCD-Diamantnanostrukturen wurden mithilfe der Elektronenstrahllithographie (EBL) und reaktivem Ionenätzen in einem induktiv gekoppelten O2-Plasma (ICP-RIE) hergestellt. Zur Vorbereitung wurden zunächst die Ätzraten in Abhängigkeit von den vier wichtigsten Parametern ermittelt. Weitere Erkenntnisse über die Ätzmechanismen wurden durch Ätzexperiment mit unstrukturierten NCD- und UNCD-Schichten erhalten Mittels der EBL konnten mithilfe von Gold-Ätzmasken Nanosäulen mit Durchmessern von 50 nm bis zu 1 μm hergestellt werden.Eine optische Charakterisierung der NCD- und UNCD-Nanosäulen erfolgte mithilfe von Fluorenzenz-Mapping und Photomumineszenz-Spektroskopie. Diese Messungen ergaben, dass in beiden Arten von Säulen NV-Zentren vorhanden sind. Allerdings wurden nur in NCD-Säulen die gewünschten NV--Zentren gefunden, in UNCD-Säulen hingegen nur NV0-Zentren.

Modification and Analysis of Group-13-Nitride Semiconductor Surfaces: Influence of Adsorbates on Device Characteristics and Processing

Im Rahmen dieser interdisziplinären Doktorarbeit wird eine (Al)GaN Halbleiteroberflächenmodifikation untersucht, mit dem Ziel eine verbesserte Grenzfläche zwischen dem Material und dem Dielektrikum zu erzeugen. Aufgrund von Oberflächenzuständen zeigen GaN basierte HEMT Strukturen üblicherweise große Einsatzspannungsverschiebungen. Bisher wurden zur Grenzflächenmodifikation besonders die Entfernung von Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff analysiert. Die nasschemischen Oberflächenbehandlungen werden vor der Abscheidung des Dielektrikums durchgeführt, wobei die Kontaminationen jedoch nicht vollständig entfernt werden können. In dieser Arbeit werden Modifikationen der Oberfläche in wässrigen Lösungen, in Gasen sowie in Plasma analysiert. Detaillierte Untersuchungen zeigen, dass die inerte (0001) c-Ebene der Oberfläche kaum reagiert, sondern hauptsächlich die weniger polaren r- und m- Ebenen. Dies kann deutlich beim Defektätzen sowie bei der thermischen Oxidation beobachtet werden. Einen weiteren Ansatz zur Oberflächenmodifikation stellen Plasmabehandlungen dar. Hierbei wird die Oberflächenterminierung durch eine nukleophile Substitution mit Lewis Basen, wie Fluorid, Chlorid oder Oxid verändert, wodurch sich die Elektronegativitätsdifferenz zwischen dem Metall und dem Anion im Vergleich zur Metall-Stickstoff Bindung erhöht. Dies führt gleichzeitig zu einer Erhöhung der Potentialdifferenz des Schottky Kontakts. Sauerstoff oder Fluor besitzen die nötige thermische Stabilität um während einer Silicium-nitridabscheidung an der (Al)GaN Oberfläche zu bleiben. Sauerstoffvariationen an der Oberfläche werden in NH3 bei 700°C, welches die nötigen Bedingungen für die Abscheidung darstellen, immer zu etwa 6-8% reduziert – solche Grenzflächen zeigen deswegen auch keine veränderten Ergebnisse in Einsatzspannungsuntersuchungen. Im Gegensatz dazu zeigt die fluorierte Oberfläche ein völlig neues elektrisches Verhalten: ein neuer dominanter Oberflächendonator mit einem schnellen Trapping und Detrapping Verhalten wird gefunden. Das Energieniveau dieses neuen, stabilen Donators liegt um ca. 0,5 eV tiefer in der Bandlücke als die ursprünglichen Energieniveaus der Oberflächenzustände. Physikalisch-chemische Oberflächen- und Grenzflächenuntersuchung mit XPS, AES oder SIMS erlauben keine eindeutige Schlussfolgerung, ob das Fluor nach der Si3N4 Abscheidung tatsächlich noch an der Grenzfläche vorhanden ist, oder einfach eine stabilere Oberflächenrekonstruktion induziert wurde, bei welcher es selbst nicht beteiligt ist. In beiden Fällen ist der neue Donator in einer Konzentration von 4x1013 at/cm-2 vorhanden. Diese Dichte entspricht einer Oberflächenkonzentration von etwa 1%, was genau an der Nachweisgrenze der spektroskopischen Methoden liegt. Jedoch werden die elektrischen Oberflächeneigenschaften durch die Oberflächenmodifikation deutlich verändert und ermöglichen eine potentiell weiter optimierbare Grenzfläche.

The Effect of Periodic Silane Burst on the Properties of GaN on Si (111) Substrates

The periodic silane burst technique was employed during metalorganic chemical vapor deposition of epitaxial GaN on AlN buffer layers grown on Si (111). Periodic silicon delta doping during growth of both the AlN and GaN layers led to growth of GaN films with decreased tensile stresses and decreased threading dislocation densities, as well as films with improved quality as indicated by x-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, atomic force microscopy, and transmission electron microscopy. The possible mechanism of the reduction of tensile stress and the dislocation density is discussed in the paper.

High Indium Concentration InGaN/GaN Grown on Sapphire Substrate by MOCVD

The InGaN system provides the opportunity to fabricate light emitting devices over the whole visible and ultraviolet spectrum due to band-gap energies E[subscript g] varying between 3.42 eV for GaN and 1.89 eV for InN. However, high In content in InGaN layers will result in a significant degradation of the crystalline quality of the epitaxial layers. In addition, unlike other III-V compound semiconductors, the ratio of gallium to indium incorporated in InGaN is in general not a simple function of the metal atomic flux ratio, f[subscript Ga]/f[subscript In]. Instead, In incorporation is complicated by the tendency of gallium to incorporate preferentially and excess In to form metallic droplets on the growth surface. This phenomenon can definitely affect the In distribution in the InGaN system. Scanning electron microscopy, room temperature photoluminescence, and X-ray diffraction techniques have been used to characterize InGaN layer grown on InN and InGaN buffers. The growth was done on c-plane sapphire by MOCVD. Results showed that green emission was obtained which indicates a relatively high In incorporation.