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Die Möglichkeiten der modernen Kurzzeitspektroskopie erlauben im Rahmen dieser Arbeit die Beobachtung fundamentaler Phänomene der Licht-Materie-Wechselwirkung an lange bekannten Halbleiterstrukturen. Dabei wird zum einen der induzierte intra- exzitonische Transfer in der Zeitdomäne studiert und zum anderen der räumliche Transfer durch unterschiedliche Potentialbarrieren eines gekoppelten Doppelquanten- films untersucht. In den beiden Abschnitten 3 und 4 dieser Arbeit können zeitliche Aspekte der ma- nipulierten exzitonischen Polarisation qualitativ bestätigt werden wie sie die vorhan- dene mikroskopische Theorie [21] vorhersagt. Die erstmalige experimentelle Realisierung eines FWM-Experiments mit der Erzeu- gung starker THz-Felder führt zur Beobachtung unterschiedlicher Regime der ko- härenten Manipulation. In dieser Kombination werden unterschiedlichen Sequenzen entsprechend der Pulsfolge charakterisiert und im Modell der THz-Manipulation der mikroskopischen Polarisation und der Detektion der makroskopischen Polarisation in- terpretiert. Durch die Untersuchung der Feldabhängigkeit für unterschiedliche Regime kann weiterhin in Übereinstimmung mit dem Bild der Feldionisation ein Schwellverhalten für größere Feldstärken bei höheren exzitonischen 2s+H-Zuständen als bei 1s-Zuständen gefunden werden. Schließlich wird explizit die Reversibiliät für mittlere Feldstärken des THz-indu- zierten intra-exzitonischen Transfers aus dem 1s-Zustand heraus beobachtet und das theoretische Modell qualitativ bestätigt. Die hier vorgestellte Beobachtung von kohärenten Oszillationen durch einen THz-induzierten Polarisationsabbruch bietet einen weiteren Einblick in den dynami- schen Prozess der Ionisation. Im letzten Teil werden Modellsysteme basierend auf dem (GaIn)As/GaAs/ Ga(NAs)-Materialsystem für das Studium einer räumlich indirekten Population einer- seits und des Elektronen-Transfers durch Grenzflächen andereseits etabliert. Hier wird die elektronische Struktur über die Methoden der linearen Absorption, der zeitaufgelösten PL und der Anrege-Abfrage-Spektroskopie in einer vergleichenden Studie grundsätzlich geklärt. Insgesamt werden wichtige Erkenntnisse zum intra-exzitonischen Transfer gewon- nen und wesentliche Grundlagen für das ausführliche und umfassende Studium des Ladungsträgertransports durch Grenzflächen mit den Methoden der modernen Ultra- kurzzeitspektroskopie gelegt. Trotz der Vielzahl an vorangegangen Arbeiten an diesen klassischen Halbleitermodellsystemen verbleiben weiterhin unter anderem die abschließend aufgezeigten vielversprechenden Möglichkeiten der Analyse und der Kon- trolle des Ladungsträger-Transfers., Semiconductor devices have a vast impact on today’s economy and society. Not only are they constantly used in everyday life, for example in personal computers, mobile phones and illumination from light-emitting diodes (LED) [29]. Also, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) [64] enable high-speed optical data transmission as a key component of the global communication network. Microprocessors and sensors based on semiconductor technologies deliver a wide range of functionalities not only for use in complex products themselves but also in the process of their manufacturing. Besides combining different concepts for applications, there is an ongoing develop- ment of semiconductor devices [77]. Not only does the control of complex processes play a major role, but also emerging new materials seem to hold promise for future devices and application. Enormous activity concentrates on the class of true two- dimensional crystal structures where Graphene is only one of many possibilities [26]. The ever-decreasing size of electronic circuits creates challenges for the chip archi- tecture, demanding new concepts to avoid parasitic effects at interfaces [84]. Howe- ver, applications such as solar cells call for knowledge and control of the interface- dominated processes, where the separation of charge is connected with dissociation and transport at the interfaces [4, 60, 43, 112]. Next to countless studies on the prediction and realization of the electronic structure through calculation and specific growth of a wide range of semiconductor materials, there has always been the fundamental idea to manipulate and control states of mat- ter with light. Whether these research efforts may be justified with the motivation to construct quantum-computers [89] or ultrafast switches or memories cannot be answered here. Nevertheless, it can be stated that realizing coherent (s. chap. 2.1.2) control over states of matter requires as well as stimulates an enormous depth of knowledge of the light-matter interaction. In this respect, novel insights could not only be achieved by a continuous deve- lopment of a microscopic theory [93, 51, 3], but also by a vast improvement of the experimental technique [71, 103]. Consequently, light sources with photon energies in the range of meV or frequencies in the range of THz have played a major role in revealing new phenomena of light-matter interaction [34, 114, 28]. Furthermore, cer- tain implications of coulomb interaction in semiconductors, such as the dynamics of plasma screening [35] or the time-scale of the formation of direct excitons [65, 42], could be clarified. Recently, the novel concept of an indirect population transfer with THz pulses through interfaces has been proposed [104] which illustrates the broader context of this work. By using selective THz pulses resonant to specific transitions in an asym- metric double quantum well (compare systems studied in chap. 5), either excitons, plasma or – through swapping – only the correlations can be transferred from the indirect to the direct configuration [104]. In this work, coherent effects of the light-matter interaction within a THz-induced transfer are studied, and the basis for studies on the influence of the interface on the transfer dynamics is established. Chapter 3 and 4 present aspects regarding the THz-induced transfer in well-known semiconductor (GaIn)As quantum film systems and in a sheet of bulk GaAs. Here, fea- tures of the exact temporal shape of a manipulated excitonic polarization according to the prediction of the microscopic theory [21] are confirmed experimentally. The first realization of a FWM experiment in combination with the generation of strong THz fields leads to the observation of different regimes of coherent manipu- lation. Within this combination, possible sequences of pulses are characterized and discussed in the model of the THz-induced manipulation of the microscopic polariza- tion while detecting the macroscopic polarization. In studying the dependence on the THz field strength, qualitative agreement with a field-ionization picture is found from a threshold at higher field strengths for signatu- res dominated by 2s and energetically higher excitonic levels compared to signatures dominated by energetically lower 1s excitonic levels. At last, the reversibility for intermediate field strengths of the THz-induced transfer is observed explicitly for the first time in this configuration, qualitatively confirming the microscopic theory. In addition, the subsequent observation of coherent oscillations in bulk GaAs due to a THz-induced temporal truncation of the polarization is reported for the first ti- me. This result is an anticipated consequence of an irreversible THz-induced transfer of an 1s excitonic polarization. Due to the high spectral resolution, small changes in the temporal truncation of the polarization are accessible, thereby confirming a faster temporal truncation with higher THz fields than at intermediate fields. This is consis- tent with a field-ionisation picture and with the prediction of a microscopic theory. Finally, in chapter 5 model systems based on (GaIn)As/GaAs/Ga(NAs) double quan- tum wells are established in order to study the electron transfer through the GaAs barrier and the evolving spatially indirect population. The electronic structure is clarified by comparing the results of linear absorption, time-resolved PL and pump-probe spectroscopy. In order to access the transfer times, several experimental methods are employed and compared with predictions from an existing simplistic model. Besides the expected increase of transfer times with in- creasing barrier thicknesses, deviations from the model and limiting processes are discussed. Further investigations have been initiated by varying the morphology of the interfaces. Using pump-probe spectroscopy, carrier dynamics on time scales from approxima- tely 40fs to 5ns are studied. Depending on the barrier thickness and excitation con- ditions, the transfer process is found on timescales ranging from approximately 30fs to 100ps while partially concurring cooling processes occur within several 10ps. A quasi-equilibrium is reached on nanosecond timescales, although the true recombi- nation and life times could not be accessed in the present experimental setup. Spectral signatures starting with an initial red shift that evolves into a blue shift give information about the dominating contributions of screening and phase-space filling. As a consequence of the dominating homogeneous broadening for the case of the thinnest barrier a lineshape narrowing is found for an existing indirect population. This indicates an increased time for the electron transfer process. Within this work, important insights into the dynamics of the intra-excitonic trans- fer are gained and the basis for extended studies on the influence of the interface on transfer dynamics is established. Despite the vast number of previous studies on these established semiconductor systems, advances are made in analyzing and ulti- mately controlling the carrier transfer through interfaces as indicated in the discussion of chap. 6.

In der vorliegenden Dissertation werden verschiedene Aspekte der Elektronendynamik an Metalloberflächen, in metall-organischen Grenzflächenzuständen und in quasi-isolierten PTCDA-Monolagen mittels zeit- und winkelaufgelöster Zweiphotonen-Photoemission (2PPE) untersucht. Die Rydberg-Serien von Ag(100)-Bildpotentialzuständen und Ag(111)-Bildpotentialresonanzen werden mit einer Kombination von 2PPE und Quantenschwebungsspektroskopie jeweils bis zu einer Quantenzahl von n=7 vermessen und eine Skalierung der Lebensdauer proportional zur dritten Potenz der Quantenzahl n gefunden. Die Lebensdauern der Resonanzen sind aufgrund des resonanten elastischen Transfers von Elektronen in die Festkörperbänder gegenüber den Bildpotentialzuständen um etwa eine Größenordnung verkürzt. Die experimentellen Resultate deuten weiter darauf hin, dass die reinen Dephasierungszeiten der kohärent angeregten Elektronen weder in Bildpotentialzuständen noch in -resonanzen durch die quasi-elastische Streuung mit Phononen beeinflusst werden. Außerdem kann der Beitrag der Elektron-Elektron-Streuung zum Interbandzerfall zwischen Bildpotentialzuständen auf der Ag(111)-Oberfläche identifiziert und durch eine Abschätzung der Streuraten theoretische Vorhersagen für diesen Zerfallskanal bestätigt werden. Die Einfluss der Wechselwirkungen zwischen organischen Halbleitern und einer Metalloberfläche auf die energetische Position und die Wellenfunktion der unbesetzten Shockley-artigen Grenzflächenzustände wird in einer systematischen Untersuchung der Grenzflächen zwischen Monolagen der Moleküle Perylen-3,4,9,10-TetraCarbonsäure-DiAnhydrid (PTCDA) und Naphtalen-1,4,5,8-TetraCarbonsäure-DiAnhydrid (NTCDA) und dem Ag(111)-Substrat mittels 2PPE untersucht. Die Resultate werden mit Ergebnissen aus Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen verglichen. Der Vergleich der unterschiedlichen Modellsysteme zeigt, dass die energetische Verschiebung des Shockley-Zustands fast ausschließlich von der Adsorptionshöhe der Moleküle, also der Distanz zwischen Molekül und Oberfläche sowie der Oberflächendichte der Kohlenstoffringe abhängt. Der Überlapp des Grenzflächenzustands mit den elektronischen Zuständen der Moleküle wird größtenteils von der Verbiegung der Moleküle und der Ausbildung der gerichteten Bindung zwischen den Sauerstoffatomen der Carboxylgruppe und der Oberfläche beeinflusst. Elektronen, die in die Grenzflächenzustände angeregt wurden, relaxieren größtenteils durch Elektron-Loch-Paaranregung zurück in die Metallzustände. Ein reversibler temperaturabhängiger struktureller Phasenübergang einer PerFluoro-Pentacen-Monolage (PFP) auf Ag(111) wird mittels 2PPE, Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) charakterisiert. Die geordnete kristalline Phase mit einer zum Substrat kommensuraten (6x3)-Überstruktur geht bei Temperaturen oberhalb von T=145 K in eine ungeordnete Phase aus parallel zur Oberfläche frei beweglichen Molekülen über. Anhand des PFP/Ag(111)-Modellsystems wird zudem der Einfluss von organischen Adsorbatschichten auf Bildpotentialzustände untersucht und im Vergleich mit weiteren Modellsystemen werden die grundlegenden Tendenzen herausgearbeitet. Die Bindungsenergien der Rydberg-Serie können mit verschwindendem Quantendefekt beschrieben und die lokale Austrittsarbeit der PFP-bedeckten Bereiche über die Konvergenz der Bildpotentialzustände mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der Zerfallskanal über den unbesetzten Grenzflächenzustand verkürzt offenbar die inelastische Lebensdauer der in die Bildpotentialzustände angeregten Elektronen, während der resonante elastische Elektronentransfer aus den Bildpotentialresonanzen aufgrund der Entkopplung durch die Molekülschicht an Effektivität verliert und deren Lebensdauer mit der Adsorbatbedeckung zunimmt. Die 2PPE-Experimente an quasi-isolierten PTCDA-Monolagen auf KCl/Ag(100) zeigen, dass die Untersuchung der intramolekularen Dynamik auch nach Entkopplung der Molekülschichten vom metallischen Substrat durch isolierende Zwischenschichten mittels Photoelektronenspektroskopie möglich ist. Die experimentellen Resultate der intramolekularen Anregungen können mit Hilfe einer hohen Bindungsenergie der exzitonischen Anregung in den PTCDA-Molekülen (E=-1.7 eV) konsistent erklärt werden. Die exzitonischen Anregungen in den PTCDA-Moleküle relaxieren mit Zeitkonstanten kleiner 300 fs in das am stärksten gebundene Exziton. Eine Anregung mit einer Lebensdauer im Bereich von Nanosekunden, die in den 2PPE-Spektren beobachtet wird, und die mit der UV-Anregungen verbundene Abschwächung der Lumineszenz der PTCDA-Monolage werden zusammen mit der Ausbildung eines stabilisierten Ladungstransfer-Exzitons erklärt.

Im Rahmen dieser kumulativen Doktorarbeit werden Studien mit sichtbarem Licht und Terahertzlicht an Halbleiter-Quantenfilmen beschrieben, wobei Experimente mit Hilfe einer mikroskopischen Theorie analysiert werden. Nach einer Einleitung in Kapitel 1 werden die theoretischen Grundlagen in Kapitel 2 dargelegt. Hiernach folgt die Beschreibung von zwei Arten von Experimenten: In Kapitel 3 wird Terahertzspektroskopie an Quantenfilmen beschrieben, bei denen das sichtbare Licht in erster Linie mit den Quantenfilmen wechselwirkt. In Kapitel 4 besteht zusätzlich eine starke Kopplung des sichtbaren Lichtes mit einer Kavität. Beide Themen sind aufgrund der Ähnlichkeiten von Exzitonen mit atomaren Systemen von grundsätzlichem Interesse. Ein sehr fundamentaler Effekt, der beide Themen verbindet, ist der AC-Stark-Effekt: Er beschreibt das Aufspalten von Spektrallinien durch die Anwesenheit eines elektrischen Feldes. In Atomen wird dies Rabiaufspaltung genannt. Kapitel 3 beschreibt Experimente mit terahertzinduzierter Rabiaufspaltung. In Kapitel 4 wird Terahertzspektroskopie an Exziton-Polaritonen beschrieben. Diese entstehen, wenn Quantenfilme an eine Kavität koppeln. Die 1s-Exzitonenresonanz spal- tet auf in tiefere und höhere Exziton-Polaritonen. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick werden in Kapitel 5 gegeben.

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der Spektraleigenschaften einer speziellen Klasse von Multiband-Schrödingeroperatoren, den so genannten kp- Schrödingeroperatoren. Die gewonnenen Ergebnisse werden anhand eines Achtband- Modells verdeutlicht, an welchem auch Upscalingmethoden zur Verwendung von kp- Rechnungen in der Lasersimulation diskutiert werden. kp-Schrödingeroperatoren sind etablierte Modelle zur Berechnung der elektronischen Struktur von Halbleiter-Quantenschichten. Die Bänder eines Halbleiters werden jeweils durch skalare, räumlich eindimensionale Schrödingeroperatoren beschrieben, deren Kopplung durch Differentialoperatoren erster und nullter Ordnung definiert ist. Diese Matrix-Schrödingeroperatoren hängen parametrisch vom zweidimensionalen Wellenvektor k ab. Die Eigenwertkurven dieser zweidimensionalen Schar räumlich eindimensionaler Eigenwertprobleme beschreiben die Bandstruktur in der Quantenschicht. Die Eigenfunktionen approximieren die zugehörige elektronische Wellenfunktion. Bei der Untersuchung der Spektraleigenschaften der kp-Operatoren interessieren einerseits Aussagen für einen beliebigen aber fest vorgegebenen Wellenvektor und andererseits die Abhängigkeit dieser Eigenschaften vom Wellenvektor. Darüber hinaus stellt sich aus physikalischer Sicht die Frage nach der Existenz einer Spektrallücke bei k=0, der Bandlücke der Quantenschicht, sowie nach der Erhaltung dieser Bandlücke für endliche Werte von k. Die Untersuchung der kp-Operatoren erfolgt mit Hilfe von Stabilitätstheoremen und Methoden der analytischen Störungstheorie. Zur Frage der Existenz der Bandlücke leitet man quantitative Aussagen mit Hilfe von Formabschätzungen her. Die Resultate werden für das häufig benutzte Achtband-Modell konkret ausgewertet. Die Anwendung dieses Modells zur Simulation realer Mehrfach-Quantenschichten schließt diese Arbeit ab, wobei der Fokus auf der Verwendung der quantenmechanischen kp-Rechnungen für die optoelektronische Simulation von Halbleiterlasern liegt. Die Untersuchungen werden am Beispiel einer InGaAsP- Laserstruktur durchgeführt, deren Emissionswellenlänge auf die optische Faserkommunikation abgestimmt ist. Aufgrund der Popularität der kp-Modelle findet man in der Literatur viele Beiträge zur Berechnung der elektronischen Struktur konkreter Halbleiter-Heterostrukturen. Daneben gibt es eine Reihe aktueller Arbeiten, die sich mit Modellierungsfragen sowie dem Problem potentiell auftretender unphysikalischer Lösungen und deren Unterdrückung auseinandersetzen. Dagegen ist über die Spektraleigenschaften der kp- Schrödingeroperatoren bisher wenig bekannt., This dissertation investigates the spectral properties of a specific class of multi-band Schrödinger operators, the so-called kp-Schrödinger operators. The obtained results are illustrated by an eight-band model, for which also upscaling methods for the utilization of kp-calculations for the laser simulation are discussed. kp-Schrödinger operators are well-established models for the calculation of the electronic structure in semiconductor quantum wells. The energy bands of a semiconductor are described by spatially one- dimensional Schrödinger operators, whose couplings are defined by differential operators of first and zeroth order. These matrix-type Schrödinger operators depend parametrically on the two-dimensional wave vector k. The eigenvalue curves of the resulting two-dimensional family of spatially one-dimensional eigenvalue problems describe the band structure in the quantum wells. The eigenfunctions approximate the corresponding wave functions. For the analysis of the spectral properties of the kp-operators we are on the one hand interested in results for an arbitrary but fixed wave vector and on the other hand in findings on the dependence of these properties on the wave vector. Moreover, from a physical point of view the question of the existence of a spectral gap at k=0, the bandgap of the quantum well, is of particular interest together with the question of the persistence of this spectral gap for a finite range of k. The investigations on the kp-operators are carried out by means of stability theorems and by analytic perturbation theory. Concerning the question of the existence of a bandgap, quantitative results are obtained using form estimates. These results are concretized for the frequently used eight-band model. The application of this model for the simulation of real-world multiple quantum wells is shown as well as the utilization of the quantum mechanical kp-calculations for the optoelectronic simulation of semiconductor lasers. The research is carried out for an InGaAsP laser structure, whose emission wave length is adjusted to the needs of optical fiber communication. Due to the popularity of the kp-models one finds in the literature a lot of work related to the computation of the electronic structure for specific semiconductor heterostructures. Additionally, there are several contributions, which deal with modeling questions and with the problem of the possible appearance of unphysical solutions ('spurious solutions') and of their elimination. In contrast to that, there is up to now little known on the spectral properties of the kp-Schrödinger operators.

The group of metastable semiconductor compounds containing small amounts of nitrogen, the so called diluted III-V nitrides, has become very important in the fundamental research as well as in the optoelectronics over the last years. In particular the material system (GaIn)(NAs) is interesting due to its enormous application potential, e.g. optoelectronic integrated circuits, photovoltaics or telecommunication. The work presented here mainly summarizes experimental and theoretical results enlightening the material-specific, optical properties of (GaIn)(NAs). The primarily used experiment is the time-resolved photoluminescence spectroscopy. Thereby the samples are optically excited with an ultra-short pulse laser and the emitted signals are detected with a streak camera. All of the investigated samples were grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) in the same reactor. This enables to distinguish between material-specific properties and characteristics that are dependent on the growth process. It was shown in preliminary investigations that (GaIn)(NAs) cannot be simply understood as a superposition of the ternary semiconductor alloys (GaIn)As and Ga(NAs). Especially the post-growth treatment (annealing, hydrogenation) of the metastable material system leads to astonishing novel effects. A phenomenological model is presented and explains the dependence of the time-resolved photoluminescence on excitation density and temperature. The crucial point is the competition between the radiative recombination, the nitrogen-induced localization of charged carriers and the non-radiative recombination that is caused by energetically lower lying defect states. In the context of a hopping model, that describes the localization and disorder in semiconductors, the experimentally found effects are quantified not only by an analytically solvable rate-equation model but also by a kinetic Monte-Carlo simulation. The comparison of experiment and theory yields a simple exponential form for the density of localized states. Furthermore it can be confirmed that the typical energy scale of the localization is diminished by the annealing step as well as by the hydrogenation process. In a next step, the investigation of (GaIn)(NAs) epitactical layers, that were optimized for solar cell application, reveals astonishing features: The minority-carrier diffusion-length of the p-doped layers is found to be slightly higher than for the n-doped material implying that (GaIn)(NAs) solar cells with a p-on-n structure should be preferred in terms of higher quantum efficiency. Additionally the results show that the post-growth annealing becomes compulsory for efficient optoelectronic devices. Furthermore, the gallium precursor used in the MOVPE growth process should be Trimethylgallium instead of Triethylgallium. The former leads to a lower carbon contamination and to an improved performance after annealing. A new effect found during the investigations is the optimization of the internal quantum efficiency of the (GaIn)(NAs) structures after irradiation with intensive laser light attributed to the laser-induced annealing of defects. The final paragraph concentrates on the successful comparison of time-resolved photoluminescence, photo-modulated reflection measurements and a microscopic many-body theory. A profound understanding of the type-I type-II transition in (GaIn)As/Ga(NAs) heterostructures is achieved resulting in material-specific information as e.g. the temperature-dependent bandgap energies, the band offsets in Ga(NAs)/GaAs and (GaIn)As/Ga(NAs) respectively, as well as the interaction potential V N dependent on the nitrogen content. Finally, the fundamental dependence on excitation density investigated in the experiment is theoretically quantified not only for the photoluminescence intensity and but for the lifetimes, too. The universal implications for the high-density regime are of substantial importance for semiconductor laser applications., Sowohl in der Grundlagenforschung als auch auf dem Sektor der Optoelektronik hat sich in den letzten Jahren die Gruppe der verdünnt stickstoffhaltigen III-V-Halbleiter etabliert. Insbesondere das metastabile Materialsystem (GaIn)(NAs) ist aufgrund seines enormen Anwendungspotentials in den Bereichen optoelektronisch integrierte Schaltkreise, Photovoltaik und Telekommunikation interessant. In der vorliegenden Arbeit werden vor allem die materialspezifischen, optischen Eigenschaften von (GaIn)(NAs) erforscht. Das zentrale Meßverfahren ist die zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie, wobei die Testschichten mit einem Kurzpulslaser optisch angeregt und die emittierten Signale mit einer Streakkamera detektiert werden. Alle hier untersuchten Proben wurden im selben Reaktor mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gewachsen, um für die Analyse eine Trennung zwischen materialspezifischen und wachstumsabhängigen Eigenschaften zu gewährleisten. In Voruntersuchungen wird gezeigt, daß (GaIn)(NAs) nicht als reine Superposition der ternären Halbeiterverbindungen (GaIn)As und Ga(NAs) verstanden werden kann. Vor allem bei der Probennachbehandlung (Tempern, Hydrogenieren) treten völlig neuartige Effekte auf. Ein phänomenologisches Modell führt die dichte- und temperaturabhängigen, zeitaufgelösten PL-Daten zurück auf die Konkurrenz zwischen der strahlenden Rekombination, der Lokalisierung der Ladungsträger in stickstoffinduzierten Zuständen und der durch energetisch tiefliegende Störstellen verursachten, nichtstrahlenden Rekombination. Im Rahmen eines Hopping-Modells, das die Lokalisierung und Unordnung in Halbleitern beschreibt, wird zur Quantifizierung der Effekte neben einem analytisch lösbaren Ratengleichungsmodell vor allem eine kinetische Monte-Carlo-Simulation verwendet. Der Vergleich von Experiment und Theorie liefert eine einfache Exponentialform für die Zustandsdichte lokalisierter Zustände und bestätigt, daß die typische Energieskala der Lokalisierung nach dem Hydrogenieren oder Tempern vermindert ist. Bei der Untersuchung von für die Anwendung in Solarzellen optimierten (GaIn)(NAs)-Epischichten zeigt sich, daß die p-dotierten Schichten eine höhere Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge als n-dotiertes (GaIn)(NAs) haben. Aufgrund der Ergebnisse sollte für eine bessere Quantenausbeute der Solarzellen bei der Planung auf einen „p-on-n“-Aufbau, auf ein obligatorisches Tempern der Schichten und auf den Vorzug von Trimethylgallium als Galliumquelle während des Wachstums geachtet werden. Zudem zeigen die Epischichten nach intensiver Bestrahlung ein optimiertes Emissionsverhalten, das auf ein laserinduziertes Ausheilen von Defekten zurückgeführt wird. In einem letzten Schritt resultiert aus dem erfolgreichen Vergleich von zeitaufgelöster PL, photomodulierter Reflexion und mikroskopischer Vielteilchentheorie ein detailliertes Verständnis über den Typ-I-Typ-II-Übergang in einer (GaIn)As/Ga(NAs)-Heterostruktur. Es ergeben sich nicht nur materialspezifische Informationen wie die temperaturabhängige Bandlückenenergie, das vom Stickstoffgehalt abhängige Wechselwirkungspotential und die Bandoffsets von Ga(NAs)/GaAs bzw. (GaIn)As/Ga(NAs), sondern auch die theoretisch verstandene, allgemeine Dichteabhängigkeit der PL-Internsität und Lebensdauer.

In the present work, the electronic density of states of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) layers in the thickness range from 300 down to ~2 nm was examined by Near-UV-photoelectron spectroscopy (NUV-PES). The measurements yield a mean density (averaged over all directions in k space) of the extended states in the valence band close to the band edge Ev, down to approximately Ev–1 eV, as well as the density of states in the band-gap between Ev and the Fermi level Ef. Using the constant final state yield spectroscopy (CFSYS) mode of NUV-PES, which was extended to a density of states spectroscopy in the present work, densities of states can be measured over more than 8 magnitudes, from > 10e22 down to 10e14 states/(eV cm3). The CFSYS detects photoelectrons with a constant final state energy, and the excitation-energy hv is varied, between ~4 and 7-8 eV in the experimental set-up used here. The detection energy is chosen so that only those electrons are counted whose kinetic energy is just high enough to overcome the work function barrier of the sample into the vacuum. This is in contrast to conventional techniques of photoelectron spectroscopy, where the excitation energy (e.g. the characteristic emission line of a gas discharge lamp) is kept constant and the detection energy is varied. Advantages of the CFSYS are the information-depth of ~5-10 nm, which is large compared to other photoelectron spectroscopies and matches optimally the a-Si:H layer thicknesses of the examined samples, and the mentioned span of 8 magnitudes in the detectable density of states. To avoid systematic errors in the the evaluation of the measured spectra, it is necessary to take into account the energy resolution of the PES system. Therefore, the resolution was measured and an (excitation energy dependent) transfer function was used to describe the influence of the apparatus on the PES measurement. The detailed analysis of the PES measurements was introduced using data obtained from a 300 nm thick, nominally undoped intrinsic a-Si:H layer that was deposited by PECVD on crystalline silicon. In order to evaluate the spectra, the measured photoelectron yield data have to be normalized to a density of states, and the valence-band mobility edge EVµ must be determined (the position of EF is known in the measured spectra, because the Fermi level is the common reference potential of energy analyzer and sample). To this end, an analytic model for the density of states was fitted to the measured yield data. The model describes the extended states close to the band edge as well as the localized states in the band gap. The gap states consist of the exponentially decreasing band tails (Urbach tails), which are commonly interpreted as strained Si-Si bonds, as well as dangling (broken) bonds, whose density of states distribution is approximately a Gaussian. The model spectrum was normalized to 2*10e21 states/(eVcm³) at the valence band mobility edge, which coincides within some 10 meV with the top of the exponential Urbach tail. The convolution of this model spectrum with the transfer function of the spectrometer could be used to obtain excellent fits to the data measured in all available PES modes (CFSYS as well as conventional UPS and total yield spectroscopy). The defect parameters obtained from the fits to the 300nm sample are elevated with respect to literature data: The exponential tail slope (Urbach energy) amounts to 62(3) meV, the density of the dangling bond defects to 3,5*10e18 cm-3. The Fermi level, EF–EVµ=1,1 eV, lies in the upper half of the band gap. The high density of dangling bonds was confirmed by photocurrent spectroscopy (CPM) measurements on 300nm a-Si:H films deposited on glass under identical deposition conditions, which could be described by the same density of states model as the PES data. In contrast to PES (which "sees" only the 5-10nm of the a-Si:H layer close to the surface) the photocurrent measurement yield the defect parameters averaged over the entire layer thickness. The PES and CPM results are consistent with ESR measurements on the same 300 nm films, which also show elevated values of the defect-density with respect to literature data for thick layers. It has to be concluded that either the deposition conditions were not optimized or the high defect density is due to contamination by impurity atoms. Finally, the photocurrent measurements can be evaluated in the Tauc plot to yield the optical band-gap, Egopt=1,76(5) eV. The methodology developed in the first part of the thesis (PES measurement and fit of the model density of states) was then applied to various series of approximately 10 nm thin a-Si:H layers on c-Si substrates, where the deposition temperature of the layers and the concentration of their doping both by phosphorus and boron were varied. Since for these layer thicknesses, the position of the Fermi level cannot be determined from measurements of the photo- or dark conductivity, the near-UV-PES is the only method to yield data on defect densities and the position of the Fermi level here. The experimental results can be summarized as follows: Ultrathin a-Si:H layers show an optimum of the deposition-temperature around 230°C, comparable to the well-established optimum temperature range for thick layers. The optimum is characterized by an Urbach energy of 66(1) meV and a defect-density of 2,9(3)*10e18 cm-3. For undoped layers, the Fermi level lies EF–EVµ=1,04(6) eV, the films are therefore slightly n-type. Conductivity measurements at identically prepared thick layers on glass allow to determine the distance of the Fermi level to the conduction band mobility edge, ECµ–EF. From these quantities, the mobility gap Egµ=Ecµ–Evµ can be determined under the assumption that the band gap of thin layers does not change in comparison to that of thick ones. It shows the same trend of a decrease of the band gap with rising deposition temperature as is known from thick layers. The Fermi level in the band gap can be shifted by doping for ultrathin layers in a similar way as for thick films; however, only a maximum variation of EF–Evµ from 0,55(6) eV at 1e4 ppm B2H6 in the gas phase to 1,49(6) eV (1e4 ppm PH3) is possible. Under the assumption that the band gap Egopt~Egµ is unchanged with respect to the thick, undoped layer, the latter corresponds to a distance of EF to the conduction band mobility edge of 0,27(8) eV. The small variations of the position of the Fermi level even for high doping levels correlate with reports in the literature, where from measurements by Near-UV-PES on thick a-Si:H, it was concluded that the position of the surface fermi level deviates from the bulk position. However, for the ultra-thin layers examined here, PES measures the mean Fermi level over the entire layer thickness; furthermore, it was estimated that there should be no considerable band bending in the ultra-thin layers. It seems plausible that the elevated density of dangling defects and band tail states (higher Urbach energy) should be at the origin of the smaller variation of Ef–Evµ. The cause for the poorer quality of the ultra-thin layers is certainly on the one hand the proximity of two interfaces (the vacuum/a-Si:H and the a-Si:H/c-Si interface) as well as the short deposition time of the ultra-thin layers, that hinder the relaxation of the amorphous network; on the other hand, suboptimal deposition conditions as well as a contamination as it was found for the thick layers cannot be ruled out. Both for the deposition temperature series of the undoped layers and the doping series with a substrate-temperature of 230°C, measurements of the transient surface-photovoltage (SPV) were carried out. For these measurements, excess charge-carriers are generated in the c-Si by a short light pulse, and the resulting change in the position of the Fermi level relative to the band edges is measured. These measurements yield through their decay behavior over time (which is an image of the bands relaxing to their dark equilibrium position) a measurement for the recombination velocity at the a-Si:H/c-Si interface. Furthermore, if high-injection conditions can be reached, i.e. a concentration of photogenerated excess charge-carriers in the c-Si that exceeds significantly both the minority as well as the majority charge-carrier density in the dark (high-injection case), then the maximum photovoltage is a measurement for the band bending in the c-Si in dark equilibrium (without illumination). If the valence band offset at the a-Si:H/c-Si interface is known, one can also calculate from PES measurements of Ef–Evµ the position of the Fermi level at the interface relative to the c-Si band edge. For optimal deposition-conditions, both calculations yield an identical position of the interface fermi level. this correlates with a slow decay of the SPV transient. For suboptimal a-Si:H deposition conditions (Tdep not 230°C, phosphorus doping >3000 ppm), the transient decays faster, and the calculated positions of the interface Fermi levels no longer agree. The faster decay as well as the discrepancy of the calculated Fermi levels are indications for an elevated recombination velocity: Obviously, the high excitation case is no longer reached. This is can be explained by the fact that for suboptimal deposition conditions the density of states both in the a-Si:H band-tails and deep in the band gap increase so that the photogenerated excess charge-carriers can tunnel from the c-Si into the amorphous layer where they find an efficient recombination path. If the a-Si:H layer thickness is reduced below the information depth of the Near-UV-PES, the density of states of the underlying substrate contributes to the measured PES signal. In this thesis, it was shown that the measured spectrum can be described as the sum of the spectra of a hydrogen terminated c-Si surface and a thick (~100 nm) a-Si:H layer. The shift of the two spectra relative to each other is the band offset DEv of the a-Si:H/c-Si interface, without further assumptions such as the ones necessary e.g. for the evaluation of C-V measurements to determine DEv. Such measurements and fits were carried out on film thickness series of intrinsic, n- and p-doped ultrathin a-Si:H layers on n- and p-doped c-Si wafers. They represent the first systematic examination of the a-Si:H/c-Si band offset with Near-UV-PES. The mean value of the band offset was determined to DEv=0,458(6) eV. It is independent of the doping both of the a-Si:H layer and the substrate; however, it decreases slightly with the a-Si:H layer-thickness. The absolute value of DEv, the independence of the doping and the decrease with the layer thickness are consistent with a model in which the band offset depends on the so-called charge neutrality level of the materials on both sides of the interface and on additional contributions by extrinsic interface dipoles., In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Zustandsdichte hydrogenisierter amorpher Silizium (a-Si:H)-Schichten mit Dicken von 300 bis hinab zu ~2 nm untersucht. Die dazu eingesetzte Methode der Nah-UV-Photoelektronenspektroskopie (NUV-PES) liefert eine gemittelte Valenzband-Zustandsdichte der bandkantennahen ausgedehnten Zustände (bis etwa Ev-1 eV) sowie die Zustandsdichte in der Bandlücke zwischen Ev und dem Ferminiveau Ef. Dabei können mit der hier zur Zustandsdichte-Spektroskopie weiterentwickelten constant final state yield-Spektroskopie (CFSYS) Zustandsdichten über mehr als 8 Größenordnungen von >10e22 bis hinab zu 10e14 1/(eV cm³) detektiert werden. Die CFSYS detektiert die Photoelektronen bei einer konstanten final state-Energie, und die Anregungsenergie hv wird variiert, im hier genutzten Aufbau zwischen ~4 und 7-8eV. Die Detektionsenergie wird so gewählt, dass Elektronen gezählt werden, deren kinetische Energie gerade ausreicht, um die Austrittsarbeits-Barriere von der Probe ins Vakuum zu überwinden. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Techniken der Photoelektronenspektroskopie, wo mit festen Anregungsenergien und variabler Detektionsenergie gearbeitet wird. Vorteil der CFSYS ist die für Photoelektronenspektroskopie große Informationstiefe von ~5-10nm, die optimal an die hier untersuchten Schichtdicken angepasst ist, und die erwähnte Spanne von 8 Größenordnungen in der detektierbaren Zustandsdichte. Um systematische Fehlern bei der Auswertung der gemessenen Spektren zu vermeiden, ist die korrekte Berücksichtigung der Energieauflösung des Spektrometers notwendig. Daher wurde sie gemessen und als (von der Anregungsenergie abhängige) Transferfunktion beschrieben. Die entwickelte PES-Methodik (PES-Messung und Anpassung der Modell-Zustandsdichte) wurde auf Serien von etwa 10nm dünnen a-Si:H-Schichten auf c-Si-Substrat angewendet, bei denen die Depositionstemperatur und die Dotierkonzentration von Phosphor oder Bor variiert wurden. Da bei diesen Schichtdicken die Lage des Ferminiveaus nicht aus Messungen der Photoleitung oder der Dunkelleitfähigkeit bestimmt werden kann, ist die Nah-UV-PES hier die einzige Möglichkeit, Defektdichten und die Lage des Fermi-Niveaus zu bestimmen. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Auch ultradünne Schichten zeigen ein Optimum der Depositionstemperatur um 230°C, das charakterisiert ist durch eine Urbach-Energie von 66(1meV und eine Defektdichte von 2,9(3)e18 1/cm³. Das Ferminiveau liegt dabei für undotierte Schichten bei Ef-Ev=1,04(6) eV, die Filme sind also n-leitend. Aus Leitfähigkeitsmessungen an identisch präparierten dicken Schichten auf Glas kann man den Abstand des Ferminiveaus zur Leitungsband-Beweglichkeitskante El-Ef bestimmen. Dann lässt sich unter der Annahme, dass sich die Bandlücke von dünnen Schichten im Vergleich zu dicken nicht ändert, die Beweglichkeits-Lücke El-Ev bestimmen. Sie zeigt den von dicken Schichten bekannten Trend einer Abnahme der Bandlücke mit steigender Depositionstemperatur. Reduziert man die a-Si:H-Schichtdicke unter die Informationstiefe der Nah-UV-PES, dann liefert die Zustandsdichte des darunterliegenden Substrats Beiträge zum gemessenen Signal. Es wurde gezeigt, dass das gemessene Spektrum sich als Summe aus den Spektren einer Wasserstoff-terminierten c-Si-Oberfläche und einer dicken (~100nm) a-Si:H-Schicht beschreiben lässt. Die Verschiebung der beiden Spektren gegeneinander liefert direkt die Banddiskontinuität (band-offset) der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche. Die durchgeführten Messungen an Schichtdickenserien von intrinsischen, n- und p-dotierten ultradünnen a-Si:H-Schichten auf n- und p-dotierten c-Si-Wafern stellen die erste systematische Untersuchung des a-Si:H/c-Si-Band-offsets mit den Methoden der Nah-UV-PES dar. Der Mittelwert des Band-offsets wurde zu DEv = 0,458(6)eV bestimmt. Er ist unabhängig von der Dotierung sowohl der a-Si:H-Schicht als auch des Substrats, nimmt aber geringfügig mit der a-Si:H-Schichtdicke ab. Der Wert von DEv, die Unabhängigkeit von der Dotierung und die Abnahme mit der Schichtdicke ist konsistent mit einem Modell, bei dem der Band-offset vom sog. Ladungs-Neutralpunkt der Materialien zu beiden Seiten der Grenzfläche sowie zusätzlichen Beiträgen von extrinsischen Grenzflächen-Dipolen abhängt.

This thesis reports on the development of waveguide electroabsorption modulators based on multiple quantum well structures. The requirements to the modulator are given by the application in a fiberoptic E-field sensor system. The theoretical calculation of a quantum well structure which is tailored to the application, of the waveguide and of the electrical structure of the device is treated first. Following the technological realization of the developed concept and the characterization of the fabricated devices is described. The achieved performance of the modulators is discussed regarding the influence on the sensorsystem. This results in a minimum detectable field of 20 mV/m, a dynamic range of 105 dB and a frequency range from 100 MHz up to 8 GHz. In a final comparison between the performance of the sensorsystem which is dominated by the modulator and that of commercially available products based on lithiumniobate modulators the advantages of the developed concept are described. In addition to a high sensitivity and a broad frequency range also the operation of the modulator in optical reflection and the low polarization dependence of the modulator which is necessary for the use of conventional non polarization maintaining fibers are worth mentioning.

In this thesis the influences of intrinsic losses on the transient optical gain of the conventional III-V-semiconductor (GaIn)As and the novel dilute nitride (GaIn)(NAs) are investigated for the first time. It is shown that the timescales of the decay of optical gain at room temperature are in both cases comparable. At high excitation densities saturation and feeding processes from higher sub-bands dominate the gain dynamics at transition energies close to the fundamental band gap. In all experiments (GaIn)(NAs) behaves like an ordinary III-V-semiconductor, which shows that this material does not necessitate new concepts for the realisation of efficient lasers besides the optimisation of the growth parameters. Effects on transient optical gain or absorption due to different next-neighbour configurations of the nitrogen are not found. Measurements at high excitation densities show that optical gain can also be observed from higher sub-bands. In the second part of this thesis the material systems Ga(NPAs) and Ga(NAs) are investigated in respect to their suitability for the realisation of lasers based on GaP substrates. It is demonstrated for the first time that quantum-well heterostructures made of these materials with concentrations of about 3% nitrogen and 8% phophorus show lasing activity from cryogenic temperatures up to room temperature under optical excitation with ultrashort laser pulses. The lasing thresholds at low temperatures are found to be comparable for both material systems. An investigation of the threshold behaviour as a function of temperature reveals a higher characteristic temperature T0 of 86K for the Ga(NPAs) sample compared to 71K for the phosphorus free sample between 20K and room temperature. Measurements of the modal gain for the Ga(NPAs) sample at low temperatures using the Hakki-Paoli method yield values of at least 20/cm. Finally investigations are made of the decay of differential absorption for diluted nitrides. It is shown that in Ga(NAs) the characteristic lifetimes are reduced by about an order of magnitude from 125ps to about 10ps when the nitrogen contend is increased from 1% to approximately 3%. In a direct comparison indium containing (GaIn)(NAs) samples of similar nitrogen content generally show an increase in the lifetime of the carrier population. This effect is more pronounced at higher nitrogen concentrations (>2%) at which the lifetimes increase by a factor of more than two. Annealing of the (GaIn)(NAs) samples leads to a blue shift of the band gap and to slower decay of the differential signal. In the extreme case a quadruplication of the decay time from 30ps to 115ps is observed at concentrations of 2% nitrogen and 6% indium., Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik der optischen Verstärkung auf Grund intrinsischer Verluste in (GaIn)As und zum ersten Mal auch in dem neuartigen verdünnten Nitrid (GaIn)(NAs) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Zeitskalen des Abbaus der Verstärkung durch intrinsische Verluste bei Raumtemperatur in beiden Materialien vergleichbar sind. Sättigungseffekte und Nachfütterungsprozesse aus höheren Subbändern dominieren die Verstärkungsdynamik nahe der Bandkante bei hohen Anregungsdichten. In sämtlichen Experimenten verhielt sich (GaIn)(NAs) wie ein gewöhnlicher III-V-Halbleiter bezüglich seiner Verstärkungsdynamik, was belegt, dass dieses Material außer Wachstumsoptimierungen keine neuartigen Konzepte zur Konzipierung effizienter Laser erfordert. Effekte auf Grund von unterschiedlichen Nächste-Nachbar-Konfigurationen des Stickstoffs auf das zeitliche Verhalten von Verstärkung bzw. Absorption waren nicht zu beobachten. Messungen bei hohen Anregungsdichten an (GaIn)(NAs) zeigen, dass optische Verstärkung auch aus höheren Subbändern beobachtet werden kann. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht, inwiefern die neuartigen Materialien Ga(NPAs) und Ga(NAs) sich dazu eignen, Halbleiterlaser auf GaP-Substraten zu realisieren. Erstmals konnte demonstriert werden, dass Mehrfachquantenfilmstrukturen dieser Materialien mit Stickstoffgehalten um 3% und gegebenenfalls 8% Phosphoranteil unter optischer Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen Laseraktivität von tiefen Temperaturen bis einschließlich Raumtemperatur zeigen. Beide Materialsysteme zeigen vergleichbare Laserschwellen bei Temperaturen um 20K. Eine Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Schwelle zeigt, dass Ga(NPAs) eine größere Temperaturstabiliät aufweist mit einer charakteristischen Temperatur T0 von 86K in einem Temperaturbereich zwischen 20K und Raumtemperatur. Bei Ga(NAs)-Quantenfilmen liegt T0 mit 71K deutlich niedriger. Messungen der modalen Verstärkung von Ga(NPAs)/GaP-Heterostrukturen bei tiefen Temperaturen wurden mittels der Methode nach B.W. Hakki und T. L. Paoli durchgeführt. Hierbei konnten modale Verstärkung von mindestens 20/cm nachgewiesen werden. Zuletzt wurden Untersuchungen zu den Zerfallszeiten von differenziellen Absorptionssignalen in verdünnten Nitriden durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass in Ga(NAs) ein zunehmender Stickstoffgehalt zu einer beträchtlichen Verkürzung der Lebensdauer führt, wobei eine Erhöhung von 1% Stickstoffgehalt auf 3% eine Reduktion der charakteristischen Zeitkonstante um eine volle Größenordnung von 125\,ps bis hinab zu 10ps bewirkt. In einem direkten Vergleich dazu zeigen indiumhaltige (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen bei vergleichbaren Stickstoffanteilen generell einen merklichen Anstieg der Zerfallszeiten der Ladungsträgerpopulation. Dieser Effekt tritt ausgeprägter bei Strukturen mit großen Stickstoffgehalten (>2%) auf, bei denen die Lebensdauern sich mehr als verdoppeln. Ein Ausheizen der (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen führt neben einer Blauverschiebung der Bandkante zu einem Anstieg der Zerfallszeiten des differenziellen Signals. Im Extremfall konnte eine Vervierfachung der Abfallszeiten von 30ps auf 115ps bei einem Stickstoffgehalt von 2% und 6% Indium beobachtet werden.

The metastable N-containing III/V-compound semiconductor material systems have attracted an immense interest both from a fundamental as well as application point of view. The GaP-based mixed crystalline system is novel in this class of material and especially interesting due to the possibility of realizing monolithic optoelectronic integrated circuits (OIECs) on silicon, since the lattice constant of GaP-substrate is very close to silicon. Though GaP is an indirect semiconductor fundamental band structure can be modified towards totally new optical properties via the incorporation of Indium, Arsenic und Nitrogen. In the present studies the pseudomorphical growth of (GaIn)(NAsP) mixed heterostructures based on GaP-substrate by metal organic vapour phase epitaxy has been investigated over a wide regime of growth parameters in order to optimize the crystalline properties. The crystalline structure has been verified by high-resolution X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). Due to the metastability of this material system extreme non-equilibrium growth conditions have to be applied. The penternary mixed crystal reveals a very complex incorporation characteristic for each group V-element. The composition of the (GaIn)(NAsP) material system has been varied systematically in a range that always pseudomorphical deposition is guaranteed on GaP-substrate. In order to study the dependence of the optical properties on the composition, different spectroscopic investigation techniques (photoluminescence (PL), excitation photoluminescence (PLE) and absorption measurement) have been carried out. First results show that the intrinsic optical character can be tailored by the change of composition. For an optimized (GaIn)(NAsP) compound the optoelectronic properties reveal a high photoluminescence efficiency and narrow PL line width even up to room temperature. For the first time optically pumped lasing operation of Ga(NAsP) QWs pseudomorphically grown on GaP substrate have been observed for temperatures up to room temperature. In addition, first electrical injection laser structures have been realized and laser action at low temperatures (80 K) has been verified for the first time. The realized electrical injection laser applying the novel dilute nitride Ga(NAsP)/GaP-material system already at this early stage of development clearly underlines the potential for the integration of III/V-based optoelectronic functionalities using this novel material system to Si substrate in the near future., Die Realisierung von optoelektronisch integrierten Schaltungen auf Silizium-Substrat würde ein komplett neues Feld der Fabrikationstechnologie eröffnen. Motiviert durch die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten wurde in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, ein Materialsystem mittels MOVPE (metal organic vapour phase epitaxy) zu entwickeln, welches pseudomorph auf Si-Substrat abgeschieden werden kann, eine hohe Lumineszenzeffizienz und Materialverstärkung besitzt. Da der III-V Halbleiter GaP und Si, die beide eine indirekte Bandstruktur aufweisen, eine ähnliche Gitterkonstante besitzen und zugleich GaP gitterangepaßt auf Si-Substrat abgeschieden werden kann, war die herausfordernde Fragestellung, ob eine Komposition des Mischkristall (GaIn)(NAsP) existiert, in der die Bandstrukturmodifikation aufgrund der Zusammensetzung einen direkten Halbleiter ergibt und zeitgleich der Mischkristall ohne jegliche Ausbildung von Versetzungen auf GaP-Substrat abscheidbar ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den folgenden Punkten: 1. Konzeption des neuartigen (GaIn)(NAsP) Materialsystems 2. Epitaktische Herstellung mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie 3. Strukturelle Charakterisierung (Röntgenbeugung, Rasterkraftmikroskopie) 4. Spektroskopische Charakterisierung (Photolumineszenz- und Photolumineszenzanregungsspektroskopie, Transmissionsmessung). Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Nach der Einleitung werden im zweiten Kapitel einige physikalische Grundlagen erörtert. Der Schwerpunkt liegt in der Vorstellung grundlegender Methoden zur Berechnung von Bandstrukturen, da die experimentellen Ergebnisse immer bezüglich einer möglichen Bandstrukturmodifikation interpretiert werden. In einem separaten Abschnitt wird die Klasse der verdünnt N-haltigen Materialsysteme vorgestellt. Das dritte Kapitel umfaßt die Beschreibung der eingesetzten Verfahren und Methoden zur Herstellung und Untersuchung der Halbleiterproben. Das Ergebniskapitel ist nach den unterschiedlichen Materialklassen gegliedert, welche im Rahmen dieser Arbeit entstanden sind: (GaIn)(NP), (GaIn)(NAsP) und Ga(NAsP). In einem weiteren Abschnitt werden erste Bauelemente und Verstärkungsmessungen vorgestellt. Das letzte Kapitel enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick. Die epitaktische Herstellung der unterschiedlichen N-haltigen Materialsysteme auf GaP-Substrate zeigt viele Parallelen zu dem GaAs basierenden Materialsystem (Ga(In))(NAs). Die spektroskopischen Untersuchungen von (GaIn)(NP)-MQWs unterschiedlicher Zusammensetzung ergaben, daß durch den Einbau von In die Lumineszenzeffizienz nicht wesentlich verbessert werden konnte. Die optische Charakterisierung der pentanären Proben (GaIn)(NAsP) hingegen zeigte, daß durch den Einbau von As und die Reduzierung der In-Konzentration die Lumineszenzeigenschaften deutlich verbessert werden konnten. Die Zustandsdichte im Leitungsband steigt deutlich an und die Kopplung im Rahmen des Band-Anticrossing-Modells nimmt zu. Der Signalverlauf im Tieftemperatur-PLE-Spektrum des In-freien Mischkristalls Ga(N0.04As0.8P0.16) offenbart schließlich einen abrupten Anstieg in der Zustandsdichte, wie er typisch ist für einen direkten Halbleiter. Damit wurde erstmals ein Mischkristall pseudomorph auf GaP-Substrat abgeschieden, der eine direkte Bandstruktur besitzt. Die methodische Variation des N- und P-Gehaltes in verschiedenen Probenreihen zeigte, daß die besten PL-Charakteristiken für den Kompositionsbereich von 4%±1% N und 0-10% P erzielt wurden. Erstmalig wurde eine Raumtemperatur-PL detektiert und die PL-Linienbreite auf unter 60meV optimiert. Damit sind die optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems vergleichbar mit denen von verdünnt N-haltigen Mischkristallen auf der Basis von GaAs. Um die Anwendungsmöglichkeiten für Bauelemente zu untersuchen, wurden erste Breitstreifenlaserstrukturen mittels MOVPE abgeschieden. Verstärkungsmessungen mittels der Stichlängen-Methode demonstrieren einen deutlichen modalen Gewinn bei Raumtemperatur. Mittels optischer Anregung (bis zu 300K) und elektrischer Injektion bei 80K konnte ein deutliches Schwellenverhalten der Emissionsintensität abhängig von der Anregungsdichte sowie ein ausgeprägtes Modenspektrum oberhalb der Schwelle beobachtet werden. Damit besitzen die Laserbarren die charakteristischen Merkmale für eine Laseraktivität sowohl bei tiefen Temperaturen als auch bei Raumtemperatur. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, daß es gelungen ist, durch die sukzessive Optimierung der Zusammensetzung, anhand der strukturellen und optischen Untersuchungsergebnisse in Kombination mit theoretischen Vorhersagen der Bandstrukturmodifikation, ein Materialsystem zu entwickeln, welches pseudomorph auf GaP-Substrat abgeschieden werden kann und eine direkte Bandlücke besitzt.

In der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende physikalische Eigenschaften der metastabilen Halbleitersysteme Ga(N,As) und (Ga,In)(N,As) vorgestellt. Es werden die großen Veränderungen der optischen Eigenschaften durch den Einbau von Stickstoff beschrieben. Durch den großen Unterschied in Elektronegativität und Größe wirkt der Einbau des Stickstoffatoms an der Stelle des Arsenatoms als große Störung in diesem Materialsystem. In einkristallinen Ga(N,As) Schichten existieren stickstoffartige, lokalisierte Zustände bis zu einer Stickstoffkonzentration von fast xN=1%, wobei die stickstoffinduzierte Rotverschiebung der Bandlücke des GaNxAs1-x Mischkristalls bei sehr kleinen Konzentrationen einsetzt. Schon für xN=0.043% ist eine deutliche Rotverschiebung der Bandlücke zu beobachten. Ein neues stickstoffinduziertes Band wurde für xN=0.21% gefunden, welches mit Erhöhung von xN zu höheren Energien verschiebt. Die Rotverschiebung der Bandlücke und die Blauverschiebung des neuen stickstoffinduzierten Bandes kann qualitativ durch eine Bandabstoßung zwischen der ungestörten Bandkante des stickstofffreien Materials und dem lokalisierten isoelektronischen Störstellenzustand, welcher etwa 200meV oberhalb der Leitungsbandkante liegt, beschrieben werden. Bei dem quaternären Halbleitermaterialsystem (Ga,In)(N,As) gibt es einen großen Zusammenhang zwischen der globalen Bandstruktur und der lokalen Umgebung der isoelektronischen Störstelle. Die Umgebung des N-Atoms kann z.B. durch nachträgliches Hydrogenieren verändert werden. Bei der Hydrogenierung geht das H-Atom fast ausschließlich Bindungen mit dem N-Atom ein, und es werden unterschiedliche N-Hn Komplexe gebildet. Die Bildung dieser N-Hn Komplexe kompensiert den Größenunterschied zwischen dem As- und dem N-Atom und sättigt die Elektronenbindungen des N-Atoms ab. Es wird also die große Störung des Kristallgitters durch den Einbau der isoelektronischen Störstelle verringert oder komplett aufgehoben. Die Folge daraus ist, dass die beobachtete elektronische Bandstruktur des vollständig hydrogenierten GaNxAs1-x gleich der von stickstofffreiem GaAs ist. Bei dem nachträglichen Ausheizen von Ga1-yInyNxAs1-x sind die Veränderungen der elektronischen Bandstruktur ähnlich. Bei kontrollierten Ausheizbedingungen ist es möglich, eine Umordnung der lokalen Stickstoffumgebung hervorzurufen. So kann das Stickstoffatom von einer galliumreicheren Umgebung, zu einer indiumreicheren Umgebung umgesetzt werden. Jede Konfiguration der nächsten-Nachbar-Umgebung des N-Atoms besitzt eine unterschiedliche Bandlückenenergie, was mittels Modulationsspektroskopie aufgelöst und somit nachgewiesen werden konnte. Unter der Annahme, dass eine theoretische Beschreibung der elektronischen Bandstruktur des quaternären Ga1-yInyNxAs1-x Materialsystems mit Hilfe von einem k·P Modell möglich ist, stehen im dritten Ergebnisteil der Arbeit die elektronischen Zustände von GaNxAs1-x/GaAs Quantenschichtstrukturen und deren theoretische Beschreibung im Mittelpunkt. Alleine mit dem einfachen Bandabstoßungsmodell kann eine große Anzahl von experimentell gefundenen Bandstrukturveränderungen durch den Einbau von Stickstoff beschrieben werden. Diese stickstoffinduzierten Veränderungen sind in den Quantenschichtstrukturen die Nicht-Parabolizität der Leitungsbanddispersion und die starke Abhängigkeit der effektiven Elektronenmasse von der Stickstoffkonzentration. Durch die Kombination mit dem Bandabstoßungsmodell wurde hier das für herkömmliche III-V Mischkristalle existierende 8-Band k·P Modell um zwei zusätzliche Spin-entartete, stickstoffartige Zustände erweitert. Es wurde durch den Vergleich der Ergebnisse dieses 10-Band k·P Modells mit experimentellen Daten für Interbandübergänge von verschiedenen GaNxAs1-x/GaAs Quantenschichtstrukturen ein Satz Materialparameter gewonnen. Dieser Parametersatz liefert in Verbindung mit dem k·P Modell eine gute Beschreibung der elektronischen Zustände von GaNxAs1-x /GaAs Quantenschichtstrukturen mit einer Stickstoffkonzentration 1% < xN < 4% und einer Quantenschichtbreite zwischen 2nm und 20nm. Das letzte Ergebniskapitel handelte von Ga0.77In0.23As/GaNxAs1-x und Ga0.70In0.30N0.005As0.995/GaNxAs1-x Quantenschichtstrukturen. Es wurde hier die stickstoffinduzierte Rotverschiebung gezielt genutzt, um das Leitungsband der Barriere unter das von der Quantenschicht zu schieben und so die Confinementsituation für die Elektronen entscheidend zu verändern. Es ist sogar möglich einen Bandanordnungswechsel von einer Typ I zu einer Typ II Banddiskontinuität hervorzurufen. So wurde für die Ga0.77In0.23As/GaNxAs1-x und die Ga0.70In0.30N0.005As0.995/GaNxAs1-x Quantenschichtstrukturserien ein Übergang von einer Typ I zu einer Typ II Banddiskontinuität bei einer Stickstoffkonzentration von xN=1% bzw. 3% gefunden. Eine genauere Beschreibung der gefundenen Quantenschichtübergänge mit Hilfe des 10-Band k·P Modells kann wertvolle Informationen über die Banddiskontinuitäten liefern., This Work is giving an overview of recent developments in the field of metastable III-V semiconductors where a fraction of the anions of the host is replaced by an isoelectronic impurity. The large differences in size and electronegativity between the isoelectronic impurity and the host anions are responsible for the dramatic band-structure changes observed already at very low concentrations of the isoelectronic impurity. The first part of the work dealt with the electronic band structure of bulk GaNxAs1-x. The band formation from the very dilute N-regime (i.e. doping levels) to N-contents of several percent was discussed. The intriguing coexistence between N-localized states and the extended band states of the host is addressed. The N-related localized states persist up to N-concentrations of almost a percent whereas the N-induced shift of the band gap of the GaNxAs1-x alloy sets in at much lower N-contents. A new N-induced band is detected for x=0.21% which shifts to higher energies with increasing x. All the higher conduction bands are almost unaffected by the N-incorporation and the corresponding transitions are to a first approximation the same as in GaAs, but considerably broadened. The red shift of the alloy band-gap and the blue shift of the new N-induced band can be qualitatively described as a level repulsion between the unperturbed band edge of the host state (e.g. GaAs) and the localized isoelectronic impurity level (e.g. N) within the conduction band. The strong correlation between the local environment of the isoelectronic impurity and the global band structure was explored further in the second part of the work. The change of the band structure of GaNxAs1-x due to hydrogenation as well as the band structure changes of quaternary Ga1-yInyNxAs1-x due to thermal annealing were discussed. In the former case, hydrogen almost solely binds to nitrogen forming various N-Hn complexes whereas the host atoms are not affected by the hydrogenation. The complex formation compensates the size difference between N and As and satisfies the desire of N for electrons, thus basically diminishes the perturbation of the host lattice by the N-atom. Consequently the observed electronic band structure of fully hydrogenated GaNxAs1-x resembles again that of GaAs i.e. the E+ has disappeared and the E- band shifts back to the energy of the GaAs band gap. In the case of thermal annealing of Ga1-yInyNxAs1-x, the situation is similar. At moderate annealing conditions, it is possible to cause a rearrangement of the local N-environment from Ga-rich environments to In-rich environments by hopping of N via As-vacancies. In In-rich environments the local perturbation of the lattice due to N is reduced compared to Ga-rich environments because In-atoms are larger than Ga-atoms and the In-N bond is weaker than the Ga-N bond. Under these conditions, this reduction of the perturbation is again manifested in a blue shift of the Ga1-yInyNxAs1-x band gap towards that of the Ga1-yInyAs host on annealing. The main focus of the third part of this work lay on studies of the electronic states in GaNxAs1-x/GaAs heterostructures and suitable models for describing them. The band-anticrossing model in its simplicity accounts already for a large number of experimental observations in Ga(N,As) and (Ga,In)(N,As). In the context of QWs, these are in particular the strong nonparabolicity of the conduction-band dispersion and the strong dependence of the electron effective mass on N-content. Therefore, it suggests itself to modify existing k·P-models for describing the electronic states of conventional III-V containing QW structures by combining them with the band-anticrossing model. So the existing 8 band k·P-model was extended by including two additional spin degenerate N-related states which couple directly to the G6 conduction-band states. By comparison of the model with experimental data for interband transitions of various Ga(N,As)/GaAs QWs a set of material parameters was derived. This parameter set, in conjunction with the model, allows a prediction of the electronic states of any GaNxAs1-x/GaAs with 1%

In the context of this work the optical characteristics of different semiconductor heterostructures were examined on small length scales. For that purpose three different methods of spatial resolved spectroscopy were used, for which its own experimental setup was developed in each case. For the spatial resolved measurement of the photolumineszenz a micro-photoluminescence setup was developed. The spatial resolution could be increased by the employment of a solid immersion lens. With this setup the influence of the disorder on the optical properties of GaAs quantum wells was examined. A further possibility for the investigation of localized phenomena offers the spatial resolved pump-probe-spectroscopy. It allows the investigation of the spatiotemporal dynamics of optically generated carriers with a temporal resolution of 100 fs and a spatial resolution of 1 µm. A further increase of the spatial resolution is possible by the employment of a solid immersion lens. With the optical near-field microscopy the optical activity os a single ferromagnetic MnAs-cluster were examined for the first time., Im Rahmen dieser Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von verschiedenen Halbleiterheterostrukturen auf kleinen Längenskalen untersucht. Dazu wurden drei unterschiedliche Methoden der ortsaufgelösten Spektroskopie angewandt, für die jeweils eine eigenständige Messapparatur entwickelt und aufgebaut wurde. Zur ortsaufgelösten Messung der Photolumineszenz wurden ein Mikro-Photolumineszenz-Messplatz aufgebaut. Dabei konnte die Ortsauflösung durch den Einsatz einer Festkörperimmersionslinse auf ein viertel der Wellenlänge des Lichtes gesteigert werden. Mit diesem Aufbau wurde der Einfluss der Unordnung auf die optischen Eigenschaften von GaAs-Quantenfilme untersucht. Eine weitere Möglichkeit zur Untersuchung der räumlich eng begrenzter Phänomene bietet die ortsaufgelöste Anrege-Abfrage-Spektroskopie. Sie erlaubt die Untersuchung der raumzeitlichen Dynamik optisch generierter Ladungsträger mit einer Zeitauflösung von 100 fs und einer Ortsauflösung von 1 µm. Eine weitere Steigerung der Ortsauflösung ist durch den Einsatz einer Festkörper-Immersionslinse möglich. Mit der optische Nahfeld-Mikroskopie wurden erstmals ferromagnetische MnAs-Cluster untersucht. Dabei konnte das Drehvermögen einzelner Cluster qualitativ nachgewiesen werden.

In dieser Arbeit werden die Transmissionseigenschaften von flachen Mikrowellen-Resonatoren mit angeflanscheten Hohlleitern untersucht. Für die Verteilung der Transmissionsfluktuationen an Quantenpunkten gibt es schon seit einiger Zeit theoretische Vorhersagen über die Abhängigkeit von der Kanalzahl und der Anwesenheit der Zeitumkehrinvarianz. Diese Ergebnisse lassen sich auf Mikrowellen-Experimente übertragen, falls die benutzten Resonatoren flach genug sind. Dann gilt in ihnen die der quantenmechanischen Schrödingergleichung äquivalente Helmholtzgleichung. Die Zeitumkehrinvarianz in Mikrowellen-Experimenten kann durch Ferrite gebrochen werden. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit werden daher die Bedingungen für die Brechung der Zeitumkehrinvarianz durch Ferrite theoretisch untersucht. Für die Fälle eines halbseitig unendlich ausgedehnten Ferrits, eines endlichen Ferrits und eines endlichen Ferrits mit leitender Rückseite werden Erweiterungen der Fresnel-Formeln der Optik hergeleitet. Weiterhin wird das Verhalten von Ferritringen als Streuer untersucht. Dabei werden auch die Streueigenschaften von Metall-Zylindern und dielektrischen Zylindern aufgezeigt, um die Besonderheiten der Streuung an Ferritringen zu erläutern. Im zweiten Abschnitt werden die Transmissionseigenschaften eines asymmetrischen und eines symmetrischen Mikrowellen-Billards in Abhängigkeit der Kanalzahl untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden mit analytischen und numerischen Rechnungen verglichen, die gegenüber den bisherigen Theorien um den Aspekt der Absorption erweitert wurden. Es zeigt sich, daß die Signaturen der Kanalanzahl und der Brechung der Zeitumkehrinvarianz in der Verteilung der Transmission erhalten bleiben. Weiterhin wird die Ableitung der Transmission nach der Energie ("Thermopower") untersucht und mit entsprechenden Rechnungen verglichen. Zusätzlich wird gezeigt, daß man entsprechende Ergebnisse auch bei Billards mit Links-Rechts-Symmetrie erhält., In this work the transmission properties of flat wicrowave cavities will be disscused. For the distribution of the transmission fluctiation exists theoretical predictions for the dependence on the number of channels and the time reversal symmetrie. This results are valid for microwave experiments, if the used cavitie is flat enough. Then the quantum mechanical Schrödinger-equation and the electrodynamical Helmholtz-equation are equivalent. The time reversal symmetrie can be broken in microwave experiments by introducing ferrites. In the first section the phase-breaking properties of ferrites will be discussed theoretically. In the case of semi-infinite, finite, and metal-backed ferrite slabs expansions of the Fresnel-formulas are found. Furthermore the scatttering properties of metalic and dielectric cylinders are discussed, to show the differences to the scattering on ferrite hollow cylinders. In the second section the transmission properties of asymmetric and symmetric microwace billiards will be examined in dependence of the channel number. The experimental results will be compared with theoretical and numerical results, which include the absorption as a new aspect. The signatures of the channel number and the time reversal symmetrie are preserved. Furthermore the energy derivation of the transmission (thermopower) is compared with numerical results.

Despite of being one of the most intensively studied semiconductor surfaces the electronic structure of the Si(111)-(7x7) surface is still under discussion particularly in the vicinity of the Fermi energy. The density of states (DOS) at the Fermi level can be derived from temperature dependent measurements of the 8Li nuclear spin relaxation rate. The measurements were carried out at lithium coverages in the 10^(-3) ML range. In order to enhance the energy resolution of states close to E_F, which is proportional to k_B T, I modified the cooling of the surface to operate with liquid Helium instead of liquid Nitrogen. In order to be able to perform experiments down to 50K Sample temperature. A fit of a schematic model DOS to the data resulted in a band at the Fermi energy as narrow as 5~meV. This band is probably generated by many body effects among the surface electrons, which is a hint that the Si(111)-(7x7) surface stands at the verge of a Hubbard metal insulator transition which is driven by electron correlations. This is the first indication of this transition at the Si(111)-(7x7) surface. From the weak dependence of the relaxation rate from the external magnetic field together with its constancy in between 48 K and 400 K I estimated a lower limit of 0.5 eV for the activation energy of diffusion. Slightly shifted absorption lines were found in beta-NMR-resonance absorption experiments for positive and negative polarisation of the 8Li ensemble respectively. From this shift the sign of the electric field gradient (EFG) of Li adsorbed at Si(111)-(7x7) was deduced. The EFG was found to be positive,indicating that Li is adsorbed not on top but within the rather open (7x7) reconstruction. Due to the width of the lines of 12 Mhz the the calulation of the EFG from the lineshift underestimates the actual value, Vzz>2,44*10^15 V/cm^2.Despite of being one of the most intensively studied semiconductor surfaces the electronic structure of the Si(111)-(7x7) surface is still under discussion particularly in the vicinity of the Fermi energy. The density of states (DOS) at the Fermi level can be derived from temperature dependent measurements of the 8Li nuclear spin relaxation rate. The measurements were carried out at lithium coverages in the 10^(-3) ML range. In order to enhance the energy resolution of states close to E_F, which is proportional to k_B T, I modified the cooling of the surface to operate with liquid Helium instead of liquid Nitrogen. In order to be able to perform experiments down to 50K Sample temperature. A fit of a schematic model DOS to the data resulted in a band at the Fermi energy as narrow as 5~meV. This band is probably generated by many body effects among the surface electrons, which is a hint that the Si(111)-(7x7) surface stands at the verge of a Hubbard metal insulator transition which is driven by electron correlations. This is the first indication of this transition at the Si(111)-(7x7) surface. From the weak dependence of the relaxation rate from the external magnetic field together with its constancy in between 48 K and 400 K I estimated a lower limit of 0.5 eV for the activation energy of diffusion. Slightly shifted absorption lines were found in beta-NMR-resonance absorption experiments for positive and negative polarisation of the 8Li ensemble respectively. From this shift the sign of the electric field gradient (EFG) of Li adsorbed at Si(111)-(7x7) was deduced. The EFG was found to be positive,indicating that Li is adsorbed not on top but within the rather open (7x7) reconstruction. Due to the width of the lines of 12 Mhz the the calulation of the EFG from the lineshift underestimates the actual value, Vzz>2,44*10^15 V/cm^2., Obwohl die Si(111)(7x7)-Oberfläche eine der am intensivsten untersuchten Halbleiteroberflächen ist, ist die Zustandsdichte am Ferminiveau noch immer Gegenstand der Diskussion. In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Struktur der Si(111)(7x7)-Oberfläche mittels beta-NMR mit 8Li als extrem verdünnter Sonde untersucht. Aus der Messung der Temperaturabhängigkeit der Relaxationsrate läßt sich die Zustandsdichte am Ferminiveau bestimmen. Zur Verbesserung der Energieauflösung wurde die Kühlung der Oberfläche von flüssigem Stickstoff auf flüssiges Helium umgestellt. Die Anpassung der Daten an eine Modell-Zustandsdichte ergab ein nur 5 meV breites Band an der Fermienergie. Dieses Band wird von Vielteilcheneffekt hervorgerufen. Seine geringe Breite ist ein Indiz dafür, daß die Si(111)(7x7)-Oberfläche kurz vor einem Hubbard-Metall-Isolator-Übergang steht, der von Elektronenkorrelationen getrieben wird. Für die Si(111)(7x7)-Oberfläche ist das die erste Beobachtung dieses Übergangs. Aus der schwachen Abhängigkeit der Relaxationsrate vom äußeren Magnetfeld zusammen mit der Konstanz der Relaxationsrate zwischen 48 K und 400 K wurde für die Aktivierungsenergie der Diffusion von 8Li, bei Bedeckungen von etwa 10^(-3)ML, auf der Si(111)(7x7)-Oberfläche eine untere Grenze von 0,5 eV gefunden. In beta-NMR-Resonanzabsorptionsexperimenten wurden für positive und negative Ausgangspolarisation den 8Li-Ensembles leicht verschobene Absorptionslinien beobachtet. Aus der Verschiebung ließ sich das Vorzeichen des elektrischen Feldgradienten (EFG) von 8Li adsorbiert auf Si(111)(7x7) bestimmen. Der EFG ist positiv. Aufgrund der Breite der Linien von 12 MHz ist der tatsächliche Betrag des EFG größer, als der aus der Verschiebung errechnete, Vzz>2,44*10^15 V/cm^2. Li adsorbiert demnach in der Ebene der Adatome.

The electronic structure of the Si(111)-(3x1)-Li surface has been investigated by angular resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and ^8Li beta-detected nuclear magnetic resonance experiments. The (3x1) reconstruction is well described by the HCC- (honeycomb-chain-channel) model and possesses one Li atom per surface unit cell corresponding to a Li coverage of 1/3 of a monolayer (ML). Single domain reconstructed (3x1) surfaces were used for the ARPES experiments. The usage of this surfaces in connection with an improved energy resolution and an optimized photon energy led to a significant improvement of previous photoemission data. Parallel to the quasi one-dimensional Li chains a very pronounced dispersionless surface state at E-E_{VBM} ~ -0.9 eV was observed. It is shifted by -0.31 eV compared to the prediction of LDA (local density approximation) calculations based on the HCC-model. This shift can probably be related to disregarded electron correlations in the LDA band structure calculations. A previous explanation by a combination of two experimentally unresolved states can be ruled out due to the improved energy resolution of our experiment. In LEED- (low energy electron diffraction) experiments a fully (3x1) reconstructed surface was already observed at a Li coverage of 0.29 ± 0.02 ML. At this coverage and at a surface temperature of 100 K a nuclear spin relaxation rate compatible with zero (alpha = 0.007 ± 0.017 s^-1) was measured. At higher temperatures exponentially rising relaxation rates were observed. Both facts can be explained by a model based on a two dimensional donor-level about 100 meV below the conduction band. This donor level may be induced by the Li additionally adsorbed during the relaxation experiments. Such a relaxation mechanism was already observed on the semiconducting Si(111)-(1x1):H surface. At a Li coverage of 0.47 ML (i.e. (3x1) reconstruction plus 0.14 ML additional Li) a "Korringa"-like nuclear spin relaxation was observed pointing to a metallic surface due to the additional Li coverage. At higher temperatures an additional relaxation process induced by diffusion of the Li on the surface seems to be present., Die elektronische Struktur der Si (111)-(3x1)- Li Oberfläche wurde mit winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie und ^8 Li-Kernspinrelaxation untersucht. Die Struktur dieser Oberfläche wird durch das HCC- (honeycomb-chain-channel) Modell beschrieben und benötigt ein Li-Atom pro Einheitszelle. Dies entspricht einer Bedeckung von 1/3 ML. Die winkelaufgelösten Photoemissionsmessungen wurden auf single domain (3x1)-rekonstruierten Oberflächen durchgeführt. Durch die Verwendung dieser Oberflächen, einer verbesserten Energie-Auflösung sowie der Wahl einer optimierten Photonenenergie ist es gelungen, die Daten von früheren Photoemissionsexperimenten deutlich zu verbessern. Entlang der quasi-eindimensionalen Li-Ketten wurde ein sehr ausgeprägter, nahezu dispersionsloser Oberflächenzustand bei E-E_{VBM} ~ -0,9 eV gefunden. Dieser Zustand ist um -0,31 eV gegenüber dem auf Grundlage des HCC-Modells berechneten Zustand verschoben. Diese Verschiebung kann auf mangelnde Berücksichtigung von Elektronenkorrelationen in Bandstrukturrechnungen mittels LDA (local density approximation) auf Halbleiteroberflächen zurückgeführt werden. Eine frühere Erklärung durch eine Überlagerung von zwei im Experiment nicht aufgelösten theoretischen Zuständen kann aufgrund der erheblich verbesserten Datenlage widerlegt werden. In LEED- (low energy electron diffraction) Experimenten wurde bereits bei 0,29 ML (der Fehler in den Bedeckungen betrug jeweils etwa ± 0,02 ML) eine voll ausgebildete Rekonstruktion beobachtet. Bei dieser Bedeckung wurde bei T = 100 K eine Relaxationsrate von alpha = 0,007 ± 0,017s^-1 gemessen. Eine solche mit Null verträgliche Relaxationsrate bedeutet, daß die dafür verantwortlichen fluktuierenden Wechselwirkungen unter diesen Bedingungen so schwach sind, daß eine Depolarisation des Kernspins nicht meßbar ist. Bei höheren Temperaturen wurden jedoch von Null verschiedene Relaxationsraten beobachtet, was mit einem Modell basierend auf fluktuierenden Wechselwirkungen mit angeregten Elektronen aus einem Donatorniveau etwa 100 meV unterhalb des Leitungsbandes beschrieben werden kann. Das während der Relaxationsmessungen zusätzlich adsorbierte Li könnte ein solches Donatorniveau induzieren. Dieser Mechanismus wurde auch schon zuvor auf der Si (111)-(1x1): H Oberfläche beobachtet. Ein Ansatz, die Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten mit einem durch Diffusion induzierten Relaxationsprozeß zu erklären, führt zu keinem sinnvollen Ergebnis. Bei 0,47 ML (d.h. (3x1)-Rekonstruktion plus zusätzliche 0,14 ML) wurde ein ?Korringa-ähnliches? Relaxationsverhalten beobachtet, was auf eine Metallisierung der Oberfläche durch das zusätzliche Li hindeutet. Außerdem wurde bei dieser Bedeckung bei höheren Temperaturen zusätzlich eine Relaxation durch Diffusion der Sondenatome beobachtet.

Thema dieser Arbeit ist die Synthese von hexagonalen GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen mittels reaktiver Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf SiC(0001)-Substraten. Der Einfluß der Wachstumsbedingungen auf die strukturellen, morphologischen, optischen und elektrischen Eigenschaften der Proben wird untersucht. Die reaktive MBE von Gruppe-III-Nitriden nutzt die katalytische Dekomposition von NH3 als Stickstoff-Precursor. Im Vergleich zur plasma-unterstützten MBE und metall-organischen Gasphasenepitaxie (MOCVD) ist dieses Abscheideverfahren eine noch wenig etablierte Methode, um kristalline (Al,Ga)N-basierende Heterostrukturen herzustellen. Es wird eine Einführung in das Verfahren und die Oberflächenchemie der reaktiven MBE gegeben. Die Synthese von (Al,Ga)N-Pufferschichten auf SiC(0001) wird diskutiert. Eine Prozedur zur Präparation der SiC-Substrate wird vorgestellt. Eine Methode zur in situ-Kontrolle der Wachstumsparameter wird erarbeitet, die auf der Beugung von hochenergetischen Elektronen (RHEED) beruht und ein reproduzierbares (Al,Ga)N-Wachstum ermöglicht. Die Pufferschichten haben atomar glatte Oberflächen, die sich für eine weitere Abscheidung von GaN/(Al,Ga)N-Heterostrukturen eignen. Es werden die strukturellen und optischen Eigenschaften solcher Strukturen studiert und mit Proben verglichen, die mittels plasma-unterstützter MBE und MOCVD hergestellt werden. Im Vergleich zu den übrigen III-V-Halbleitern zeichnen sich die hexagonalen Nitride besonders durch die Größe ihrer elektrischen Polarisationsfelder aus. GaN/(Al,Ga)N-Multiquantenwell-Strukturen (MQWs) mit unterschiedlichen Well-Dicken werden auf GaN- und (Al,Ga)N-Pufferschichten gewachsen. Es werden die Auswirkungen der spontanen Polarisation und Piezopolarisation auf die optischen Eigenschaften der MQWs studiert. Im speziellen wird - experimentell und theoretisch - gezeigt, daß die polarisationsbedingten elektrischen Felder in GaN/(Al,Ga)N-MQWs nicht durch hohe Dichten von freien Ladungsträgern abgeschirmt werden können. Ferner wird der Einfluß der GaN/(Al,Ga)N-Grenzflächenmorphologie auf die optischen Eigenschaften studiert. Das Wachstum von (Al,Ga)N/GaN-Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (HFETs) auf semiisolierenden (Al,Ga)N-Puffern wird untersucht. Diese Heterostrukturen zeichnen sich durch eine geringe Dichte an Fadenversetzungen (1-2 x 108 cm-2) und durch das Fehlen jeglicher Parallelleitfähigkeit aus. Für diese Strukturen, die Beweglichkeiten von bis zu 750 cm2/Vs bei Raumtemperatur zeigen, werden Simulationen der temperaturabhängigen Beweglichkeiten unter Beachtung aller wichtigen Streumechanismen durchgeführt. In Übereinstimmung mit der Sekundärionenspektrometrie an diesen Proben wird belegt, daß die Transistoreigenschaften dominant durch tiefe Störstellen - sehr wahrscheinlich As - begrenzt werden. Es wird die Synthese von spannungskompensierten GaN/(Al,Ga)N-Bragg-Reflektoren mit Reflektivitäten von über 90% im blauen Spektralbereich vorgestellt. Die experimentelle Realisierung basiert auf der exakten Bestimmung der individuellen Schichtdicken durch die Simulation der gemessenen Röntgenbeugungsprofile und Reflektivitätsspektren. Die mittels Laserstreuung abgeschätzten Reflektivitätsverluste können durch NH3-reiche Synthesebedingungen reduziert werden. In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite (Al,Ga)N heterostructures on SiC(0001) by reactive molecular beam epitaxy (MBE). We examine the impact of growth conditions on the structural, morphological, optical and electrical properties of the films. MBE of group-III nitrides is almost entirely based on the use of an N2 plasma discharge for providing reactive N. However, an alternative and attractive candidate for producing N radicals is NH3, which decomposes on the growth front by a catalytic reaction even at comparatively low temperatures. The basic growth technique and surface chemistry of reactive MBE is introduced. The deposition of (Al,Ga)N buffer layers on SiC(0001) substrates is discussed. An ex-situ cleaning procedure for the SiC substrates is presented. An in-situ method for the reproducible growth of these buffers layers is developed based on reflection high-energy electron diffraction (RHEED). The layers have atomically smooth surfaces well suited for the growth of GaN/(Al,Ga)N heterostructures. The structural and optical properties of these buffers are compared to such layers grown by plasma-assisted MBE and metal organic vapor phase deposition (MOCVD), respectively. Compared to other III-V semiconductors hexagonal nitrides exhibit huge electrical polarization fields. GaN/(Al,Ga)N multiple quantum wells (MQWs) with different well thicknesses are deposited on GaN and (Al,Ga)N buffer layers, respectively. It is demonstrated that the electric field in the quantum wells (QWs) leads to a quantum-confined Stark shift of the QW emission, which thus can fall well below the bulk GaN band-gap energy. In the opposite, it is proved that the strain state of the QWs alone has little impact on the electric fields in MQWs. The optical properties of these heterostructures are studied by stationary and time-resolved photoluminescence and compared with the results of self-consistent Schrödinger-Poisson calculations. It is shown that the recombination dynamics in heavily doped MQWs (7 x 1018 cm-3) is still controlled by residual fields, contrary to the common assumption that flat-band conditions are achieved at this doping level. Furthermore, the influence of the interface roughness on the QW emission widths is analyzed. The growth of (Al,Ga)N/GaN heterostructure field effect transistors (HFETs) on semi-insulating (Al,Ga)N buffers is studied. Temperature dependent Hall measurements show a mobility of up to 750 cm2/Vs and 1400 cm2/Vs at 300 K and 77 K, respectively. Transmission electron microscopy reveals the (Al,Ga)N/GaN interface to be abrupt and the dislocation density to be too low to limit the HFET mobility. However, secondary ion mass spectroscopy detects a significant concentration of As in the channel region. Indeed, an excellent fit to the temperature dependence of the mobility is obtained by including scattering with As. The synthesis and analysis of highly reflective and conductive GaN/(Al,Ga)N Bragg reflectors is examined. The realization of these Bragg mirrors is based on the exact determination of the structural parameters by simulating x-ray diffraction profiles and corresponding reflectivity spectra. To prevent cracking from these thick stacks, a concept of strain-balanced multilayer structure is employed. It is demonstrated that the difference between the theoretical and the measured maximum reflectivity can be minimized by growing the Bragg mirrors under NH3 stable growth conditions.