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Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) plays an important role in the fabrication of optoelectronic devices based on III-V semiconductor materials such as telecommunications lasers, light emitting diodes, highly efficient solar cells or high frequency devices on an industrial scale. Even though the technique has been largely established since its invention in the 1960s, there are still many remaining questions to understand the physics of this deposition technique. This is caused by the complexity of the underlying thermodynamics, kinetics and hydrodynamics, resulting in a more phenomenological understanding of the epitaxial growth process. Nevertheless, the MOVPE technique is applicable for the realization of novel metastable materials paving the way for inventions in terms of new devices and device optimization. One promising approach is the use of ‘dilute nitrides’ and ‘dilute bismides’ based on the gallium arsenide (GaAs) host material for an improvement of the practicability and the energy efficiency of the currently used devices to make a small contribution to solve environmental problems such as global warming. ‘Dilute bismides’ show the capability to decrease the energy consumption of laser diodes used for the telecommunication across the internet by light emission at 1.3 µm and 1.55 µm through glass fibers. The higher predicted efficiency of ‘dilute bismides’ is based on the prevention of internal loss mechanisms in the active region of the laser devices which are limiting the efficiency of the currently used (Ga,In)(As,P) laser diodes. Likewise, the ‘dilute nitride’ material family is discussed as potential candidate for highly efficient telecommunication lasers. Here material combinations such as (Ga,In)(N,As) are discussed, due to a potentially higher efficiency, a better thermal stability and the possibility to fabricate these laser structures on the well-established GaAs substrates. Besides this, the ‘dilute nitrides’ are discussed for application as highly efficient solar cells that are promising in terms of renewable energy. Here material combinations such as (Ga,In)(N,As), Ga(N,As,Sb) or Ga(N,As,Bi) are discussed as a layer in a multi-junction solar cell concept to improve the conversion efficiency of the junction responsible for absorption of sun light with a wavelength between 1.1 µm and 1.4 µm. An increase to conversion efficiencies over 50 % could make the multi-junction solar cells more competitive with respect to Si-based solar cells in terms of cost efficiency. However, the fabrication of these devices by MOVPE with respect to the desired material composition, structural quality and purity is a current challenge. In this work a small contribution towards the possible realization of improved devices and towards a more detailed physical understanding of the related processes during growth is presented. This covers in the first part the investigation of surface structure of ‘dilute nitrides’ and ‘dilute bismides’ on an atomic scale by reflection anisotropy spectroscopy (RAS). The RAS technique is used for in-situ analysis of the arising surface reconstructions of Ga(As,Bi) and Ga(N,As) layers during the growth by MOVPE. For the Ga(N,As) material system, this study includes the investigation of the already established nitrogen precursors 1,1 di methyl hydrazine (UDMHy) and the newly synthesized di tert butyl amino arsane (DTBAA) precursor. The initial point of these investigations is focused on the analysis of the GaAs host material. For a simple nitridation of the GaAs (001), surface both precursors show a different influence on the surface reconstruction. The supply of UDMHy to the GaAs (001) surface produced a strong change of the surface structure from the As rich c(4×4)β surface reconstruction to the more Ga- or N rich (2×6)/(6×6) surface reconstruction. Compared to this, the supply of DTBAA showed no strong modulation of the As rich c(4×4)β surface. In contrast to UDMHy, the inbuilt additional As supply by DTBAA caused a stabilization of the given c(4×4)β surface. During the growth of Ga(N,As), by additional supply of tert butyl arsane (TBAs) and tri ethyl gallium (TEGa), the surface reconstruction changes to a more Ga or N rich (2×6)/(6×6) surface structure, independent from the choice of the N precursor and the underlying surface reconstruction. The latter was investigated by the growth of a Ga(N,As) layer on a prepared (2×4) reconstructed GaAs (001) surface. Based on the Ga(N,As) results, atomically abrupt Ga(N,As) layers with high N contents of presumably up to 16 % were realized by using different gas switching sequences in the growth process. These studies are of fundamental interest concerning the modification of the type-II transitions in W-type laser structures based on the Ga(N,As) and Ga(As,Sb) material systems. In case of the Ga(As,Bi) material system, similar experiments were carried out starting with the influence of the tri methyl bismuth (TMBi) precursor on the GaAs (001) surface structure. As expected from the behavior of Bi to float on the growth surface without being incorporated, the supply of TMBi caused the As rich c(4×4)β surface reconstruction to change presumably to a (4×3) surface reconstruction. This change of the surface reconstruction was directly related to the Bi surface coverage, which is an essential step for the realization of homogenous Ga(As,Bi) layers. The created Bi terminated surface was extensively studied in terms of the thermal stability, stability towards changes of the environmental conditions and its formation time. The addition of TBAs and TEGa for the growth of Ga(As,Bi) caused the surface reconstruction to further change to a Bi containing c(4×4)β surface reconstruction. Furthermore, the surface reconstruction was found to be very sensitive to variations of the TBAs/TEGa gas phase ratio, underlying former findings of a small growth window for the growth of Ga(As,Bi) on GaAs. Additional experiments on prepared (2×4) GaAs (001) surfaces showed that the Ga(As,Bi) surface structure is adopting to the underlying surface reconstruction during growth. For both material systems, further analysis of the surface morphology and material composition was done by post growth investigation with atomic force microscopy (AFM) and high-resolution X ray diffraction (HR-XRD). The compositional analysis gives evidence that the N incorporation is favored on more Ga rich surfaces like the (2×4) surface reconstruction and that Bi incorporation is enhanced on the more As rich c(4×4)β surface reconstruction compared to the (2×4) surface reconstruction. The second part of this thesis covers the real time analysis of the gas phase composition during the deposition of III-V semiconductor with focus on decomposition studies of the novel nitrogen precursors DTBAA, di tert butyl amino phosphane (DTBAP) and di tert butyl arsenyl di methyl hydrazine (DTBADMHy). As a general overview the decomposition temperature and decomposition reactions of the investigated precursors were studied independently to analyze the unimolecular decomposition reactions in the used horizontal AIXTRON AIX 200 MOVPE reactor. Besides the investigation of the novel N precursors, this includes the analysis of the unimolecular decomposition reactions of the group III precursors tri methyl gallium (TMGa), TEGa, tri tert butyl gallium (TTBGa) and the group V precursors TMBi, TBAs, tert butyl phosphane (TBP) and UDMHy. The decomposition reactions of these precursors show comprehensively a good agreement to formerly published decomposition data and proof the reliability of the measurements done with this ion trap setup. Very beneficial was the investigation of all these precursors under comparable experimental conditions in the same MOVPE reactor system, which resulted in a good data base for future investigations with this setup. The decomposition studies of the novel N precursors are of even more relevance, since growth studies with these precursors showed the simultaneous incorporation of N and As from the precursors and highlighted promising N incorporation characteristics for growth of ‘dilute nitrides’ at temperatures below 500 °C. The DTBAA, DTBAP and DTBADMHy precursor all exhibit a direct N-As or N-P bond, which was found to be dissociated in the first step of the decomposition reaction under formation of aminyl radicals (NH2•). These radicals are believed to be responsible for N incorporation and lead to a limitation of the N incorporation at higher temperature due to the formation of the thermally very stable ammonia (NH3). The As or P incorporation is connected to the decomposition of larger As or P compounds formed in the first bond homolysis or heterolysis step. These larger compounds were identified as di tert butyl arsane (DTBAs•) or di tert butyl phosphane (DTBP•). Based on the unimolecular decomposition experiments the investigation of the gas phase during the growth of GaAs, GaP and GaN was investigated. The occurring bimolecular reactions were most extensively studied for the precursor combination of TBAs and the Ga precursors TMGa, TEGa and TTBGa during the growth of GaAs. This study showed a strong influence of the decomposed Ga precursor on the TBAs decomposition. Here the decomposition temperature of TBAs was reduced down to the decomposition temperature of the respective Ga precursor. This is believed to occur due to a catalytic effect of the decomposed Ga precursor on the decomposition of the TBAs leading to a reduction of the decomposition temperature of TBAs from 350 °C down to 160 °C in combination with TTBGa. This catalyzed decomposition of TBAs is especially interesting for low temperature growth of GaAs based materials. The further studies of the bimolecular decomposition of TBAs with TEGa were carried out for different gas phase ratios of TBAs/TEGa between 0.5 to 10 and by a more detailed analysis of the decomposition products, utilizing the selective removal of the trapped ions with stored wave inverse Fourier transformation (SWIFT) from the ion trap. These results show evidence for an alkyl exchange reaction to be included in the catalyzed bimolecular decomposition. The very same experiments were carried out for the bimolecular reactions between TBP and the Ga precursors during growth of GaP. Similarly, a strong reduction of the decomposition temperature of TBP by the addition of the Ga precursors was shown. However, the decomposition temperature is determined about 50 °C higher compared to the decomposition of the Ga sources. This shows that the C-P as well as the alkyl groups of the Ga precursor have to be involved in the decomposition reaction, supporting the proposed alkyl exchange reactions. The last experiments were carried out to show the investigation of adduct formation during epitaxial growth. For the precursor combinations of UDMHy with TMGa and TEGa, adduct formation is predicted, but only indirectly proven in literature. The analysis of these bimolecular reactions with the novel ion trap setup proves the formation of larger adducts such as (CH3)2NN[(CH3)2Ga]2NN(CH3)2, which already form at room temperature for the combination of UDMHy and TMGa. Analogue formation of (CH3)2NN[(C2H5)2Ga]2NN(CH3)2 is supposed for UDMHy and TEGa. Altogether, the analysis of the surface structure and the gas phase composition during growth by MOVPE has led to new insights in the deposition of III-V semiconductors with focus on novel material systems such as ‘dilute bismides’ and ‘dilute nitrides’. Both analysis techniques, the surface analysis by RAS and the gas phase analysis by mass spectrometry turned out to be very powerful for a direct feedback during the MOVPE process. The application and understanding of these techniques should be expanded to arising novel material systems. Especially, the analysis of ternary or quaternary compound semiconductors or of novel 2D materials would be desired, as these will presumably drive new applications in this field., Die metallorganische Gasphasenepitaxie (metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE) hat eine wichtige Rolle als Herstellungsmethode der III-V-Halbleitermaterialien für optoelektronische Anwendungen inne. Dies beinhaltet unter anderem die Herstellung von Telekommunikationslasern, Leuchtdioden, hocheffizienten Solarzellen und Hochfrequenz-bauteilen im industriellen Maßstab. Obwohl sich die MOVPE als Abscheidungsmethode für Halbleitermaterialien seit ihrer Entdeckung und Entwicklung in den 1960er Jahren weitreichend etabliert hat, sind immer noch viele fundamentale Fragen über die grundlegenden physikalischen Effekte des Wachstumsprozesses ungeklärt. Dies liegt in der Komplexität der korrekten Beschreibung der auftretenden thermodynamischen, kinetischen und hydrodynamischen Effekte begründet und resultiert in einer eher phänomenologischen Beschreibung des epitaktischen Wachstumsprozesses. Dennoch dient die MOVPE zur Herstellung von neuen metastabilen Materialien, die eine Grundlage für die Erfindung und Optimierung von neuartigen Bauelementen bilden. Eine Herangehensweise ist der Einsatz von verdünnt stickstoff- und verdünnt bismuthaltigen Materialien, die auf den III-V-Halbleitern Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) basieren. Diese Materialien sind vielversprechend, um einen kleinen Beitrag zu aktuellen Themen wie der Verlangsamung der globalen Erwärmung beizutragen, indem zum Beispiel die Energieeffizienz der heutzutage genutzten Telekommunikationslaser verbessert wird. Die verdünnt bismuthaltigen Materialien zeigen das Potential, den Energieverbrauch der Laserdioden, die für den Datentransfer im Internet mit Emissionswellenlängen von 1.3 µm and 1.55 µm genutzt werden, drastisch zu reduzieren. Die weit höhere theoretische Effizienz der verdünnt bismuthaltigen Materialien im Vergleich zu den zur Zeit genutzten (Ga,In)(As,P) Laserdioden liegt in der Unterdrückung von internen Verlustprozessen begründet, welche die Effizienz der (Ga,In)(As,P)-Laserdioden drastisch senkt. Des Weiteren werden die verdünnt stickstoffhaltigen Materialien als potentielle Lösung für effizientere Telekommunikations-laser diskutiert. Hier könnte das (Ga,In)(N,As) Materialsystem große Vorteile im Hinblick auf die thermische Stabilität der Laserstrukturen liefern. Zusätzlich können die Laserstrukturen auf Basis des gut erforschten GaAs Materialsystems hergestellt werden und somit im Gegensatz zur Herstellung der (Ga,In)(As,P) Laserdioden auf InP-Basis von einer fortschrittlicheren technologischen Umsetzung profitieren. Neben der Anwendung als Lasermaterial werden die verdünnt stickstoffhaltigen Materialien zur Realisierung von hocheffizienten Solarzellen im Kontext der erneuerbaren Energien diskutiert. In diesem Zusammenhang könnten Materialkombinationen wie (Ga,In)(N,As), Ga(N,As,Sb) oder Ga(N,As,Bi) Anwendung in sogenannten Mehrfachsolarzellen finden. Die genannten Materialien könnten in diesem Konzept die Solarzellenschicht für die effiziente Absorption des Sonnenlichts im Wellenlängenbereich zwischen 1.1 µm and 1.4 µm verbessern, wodurch theoretische Umwandlungswirkungsgrade von über 50 % erreicht werden könnten. Dieser Wirkungsgrad sollte ausreichen, um im Preis-Leistungs-Vergleich in Konkurrenz zu der Silizium basierten Solarzellentechnologie zu treten. Die Herstellung der genannten neuartigen Materialien konnte allerdings noch nicht mit der notwendigen Materialzusammensetzung sowie ausreichender struktureller Qualität und Reinheit realisiert werden und ist daher ein Thema der aktuellen Forschung. Diese Arbeit soll mit einem kleinen Anteil zu der Realisierung der Anwendung dieser neuartigen Materialen beitragen und das grundlegende Verständnis zum epitaktischen Wachstum mittels MOVPE verbessern. Im ersten Teil dieser Untersuchungen wurde dazu die Oberflächenstruktur von verschiedenen verdünnt stickstoffhaltigen und verdünnt bismuthaltigen Schichten mit der Reflektionsanisotropiespektroskopie (reflection anisotropy spectroscopy, RAS) analysiert. Die RAS diente dabei zur in-situ Analyse der beim epitaktischen Wachstum von Ga(As,Bi)- und Ga(N,As)-Halbleiterschichten auftretenden Oberflächenrekonstruktionen, welche Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome auf der Halbleiteroberfläche ermöglicht. Für die Untersuchung von Ga(N,As) wurde dazu der Einfluss des bereits etablierten 1,1 di methyl hydrazin (UDMHy) Präkursors und des neuartigen di tert butyl amino arsan (DTBAA) Präkursors auf die Oberflächenstruktur des Halbleiters GaAs untersucht. Die Zugabe von UDMHy auf die GaAs (001) Oberfläche resultierte in einer signifikanten Änderung der Oberflächenrekonstruktion von der arsenreichen c(4×4)β Oberfläche hin zu einer gallium- oder stickstoffreichen (2×6)/(6×6) Oberfläche. Im Vergleich dazu zeigte der analoge Prozess mit DTBAA eine Stabilisierung der arsenreichen c(4×4)β Oberflächenrekonstruktion aufgrund der intrinsischen Bereitstellung von Arsen des Präkursors. Während des Wachstums von Ga(N,As) durch die Zugabe von tert butyl arsan (TBAs) und tri ethyl gallium (TEGa) zeigte sich unabhängig vom verwendeten Stickstoffpräkursor und unabhängig von der Ausgangskonfiguration der unterliegenden GaAs Oberfläche ein Übergang zu der gleichen gallium- oder stickstoffreichen (2×6)/(6×6) Oberflächenrekonstruktion. Die Unabhängigkeit von der Ausgangsoberfläche wurde durch das Wachstum einer Ga(N,As) Schicht auf einer speziell präparierten (2×4) GaAs Oberfläche untersucht. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden atomar abrupte Ga(N,As) Zwischenschichten auf GaAs mittels verschiedener Wachstumssequenzen mit einem vermutlichen Stickstoffeinbau von bis zu 16 % realisiert. Die Wachstumssequenzen basierten dabei auf den Erkenntnissen zu den Ga(N,As) Oberflächenrekonstruktionen, und der Epitaxie-Prozess konnte mittels RAS in situ überwacht werden. Die Experimente zu den Ga(As,Bi) Halbleiterschichten wurden analog dazu mit der Untersuchung des Einflusses des tri methyl bismut (TMBi) Präkursors auf die GaAs (001) Oberfläche begonnen. Wie von dem bereits bekannten Verhalten des Aufschwimmens von Bi auf der Wachstumsoberfläche zu erwarten war, zeigte sich ein starker Einfluss von Bi auf die Oberflächenstruktur. Die Zugabe von TMBi bewirkte eine Änderung von der arsenreichen c(4×4)β Oberfläche zu einer vermutlich bismuthaltigen (4×3) Oberfläche. Dieser Wechsel zwischen den Oberflächenrekonstruktionen konnte in direkten Zusammenhang mit der notwendigen Oberflächenbelegung mit Bi während des Wachstumsprozesses zur Realisierung von Ga(As,Bi) Schichten mit hoher kristalliner Qualität gebracht werden. Diese Bi-benetzte Oberfläche wurde weiter in Hinblick auf ihre thermische Stabilität, die Widerstandsfähigkeit gegen Änderungen der umgebenden Bedingungen und ihre Aufbauzeit analysiert. Die Hinzugabe von TBAs und TEGa, was das Wachstum von Ga(As,Bi) hervorruft, resultierte in einer weiteren Modulation der Oberflächenrekonstruktion zu einer Bi-benetzten c(4×4)β Oberfläche. Weiter zeigte die Ausbildung der Oberflächenrekonstruktion der Wachstumsoberfläche von Ga(As,Bi) ein sehr sensitives Verhalten auf Änderungen im Gasphasenverhältnis von TBAs/TEGa, was den sehr kleinen möglichen Wachstumsbereich von Ga(As,Bi) unterstreicht. Zusätzliche Experimente wurden auf vorher präparierten (2×4) GaAs Oberflächen durchgeführt. Diese zeigen, dass sich die Oberflächenrekonstruktion von Ga(As,Bi) der unterliegenden Oberflächenstruktur anpasst. Zur Untersuchung der ‘verdünnt stickstoff- und verdünnt bismuthaltigen Strukturen wurde außerdem die Oberflächenmorphologie mittels Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) und die Materialzusammen-setzung mittels hochauflösender Röntgenbeugung (high resolution X ray diffraction, HR XRD) analysiert. Die Analyse der Materialzusammensetzung zeigte, dass der Stickstoffeinbau in GaAs auf galliumreicheren Oberflächen wie der (2×4) Oberfläche bevorzugt ist, sowie, dass ein erhöhter Bismuteinbau in GaAs auf der arsenreicheren c(4×4)β Oberfläche gegeben ist. Im zweiten Teil der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein neues Massenspektrometer zur Echtzeitanalyse der Gasphasenzusammensetzung während des Abscheidungsprozesses von III-V-Halbleitermaterialen eingesetzt. In diesem wurde die thermische Zerlegung der neuartigen Stickstoffpräkursoren DTBAA, di tert butyl amino phosphan (DTBAP) und di tert butyl arsenyl di methyl hydrazin (DTBADMHy) untersucht. Zur Analyse der Zerlegungstemperaturen und der Zerlegungsreaktionen dieser Präkursoren wurden diese Reaktionen zunächst unabhängig voneinander (unimolekular) in dem verwendeten AIXTRON AIX 200 MOVPE Reaktor untersucht. Diese Untersuchungen beinhalten neben den neuartigen Stickstoffpräkursoren DTBAA, DTBAP und DTBADMHy die Analyse der unimolekularen Zerlegung der Gruppe-III-Präkursoren tri methyl gallium (TMGa), TEGa, tri tert butyl gallium (TTBGa) und der Gruppe-V-Präkursoren TMBi, TBAs, tert butyl phosphane (TBP) und UDMHy. Die Zerlegungsreaktionen zeigen eine gute Übereinstimmung zu früheren Zerlegungsstudien und bestätigen dadurch die Praktikabilität und Verlässlichkeit des neuartigen Massenspektrometerkonzepts. Ein großer Vorteil dieser Studie ist die Untersuchung all dieser unimolekularen Reaktionen unter vergleichbaren Bedingungen im selben Reaktorsystem, wodurch eine gute Grundlage für weitere Zerlegungsstudien geschaffen wurde. Die neuen Zerlegungsstudien der genannten neuartigen Stickstoffpräkursoren ist von grundlegender Bedeutung, um das vorteilhafte Einbauverhalten dieser Präkursoren bei Wachstumstemperaturen unterhalb von 500 °C zu verstehen. Die Präkursoren DTBAA, DTBAP und DTBADMHy weisen alle eine direkte N-As beziehungsweise eine direkte N-P Bindung auf. Die Zerlegungsanalyse zeigte, dass diese Bindung sich als erster Schritt im Mechanismus der Homolyse oder Heterolyse unter Freisetzung von Aminylradikalen (NH2•) spaltet. Diese NH2• Radikale werden für den effizienten N-Einbau bei niedrigen Temperaturen sowie für die Limitierung des N-Einbaus bei hohen Temperaturen durch Bildung von NH3 verantwortlich gemacht. Der As- beziehungsweise P-Einbau hängt mit der Zerlegung der im ersten Reaktionsschritt gebildeten größeren Radikale di tert butyl arsan (DTBAs•) und di tert butyl phosphan (DTBP•) zusammen. Aufbauend auf der Untersuchung der unimolekularen Zerlegungsreaktionen wurde die Gasphasenzusammensetzung während des Wachstums von GaAs-, GaP- und GaN-Halbleitermaterialien analysiert. Die aufgetretenen bimolekularen Reaktionen wurden am ausführlichsten für die Präkursorkombinationen von TBAs mit TMGa, TEGa und TTBGa untersucht. Die entsprechenden Ergebnisse zeigen einen starken Einfluss der Ga-Präkusoren auf die Zerlegung des TBAs. Unter anderem wurde die Zerlegungstemperatur von TBAs bis auf die Zerlegungstemperatur der Ga Präkursoren herabgesetzt, was sich mit einem katalytischen Effekt der zerlegten Ga Präkursoren erklären lässt. Diese Katalyse reduziert die Zerlegungstemperatur des TBAs von 350 °C auf bis zu 160 °C bei Kombination mit TTBGa. Dieser Katalyseprozess ist besonders für das Wachstum von GaAs bei tiefen Temperaturen interessant. Weitere Zerlegungsexperimente wurden für verschiedene Gasphasenverhältnisse von TBAs/TEGa zwischen 0.5 und 10 durchgeführt. Hierbei wurden hochsensitive Messungen der Zerlegungsprodukte mittels selektivem Ionenauswurfs (stored wave inverse Fourier transformation, SWIFT) aus der Ionenfalle realisiert. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Alkylaustausch als wichtiger Schritt in der katalytischen Zerlegung von TBAs und den Ga Präkursoren stattfindet. Passend dazu wurde der Einfluss der Ga Präkursoren während des Wachstums von GaP auf die Zerlegung von TBP untersucht. Analog zur TBAs Studie zeigte sich eine Reduktion der Zerlegungstemperatur des TBP durch die Katalyse mittels der bereits zerlegten Ga Präkursoren. Allerdings liegt die dabei bestimmte Zerlegungstemperatur durchschnittlich 50 °C höher als beim TBAs. Dies lässt sich erklären, wenn sowohl die vergleichsweise stärkere C-P Bindung des TBP als auch die Alkylgruppen der Ga Präkursoren in die Zerlegungsreaktion involviert sind, was die Idee des Alkylaustausches untermauert. Die abschließenden Experimente wurden in Hinblick auf die Analyse von Adduktreaktionen im Wachstumsprozess durchgeführt. Die Adduktbildung ist beispielsweise für die Präkursorkombinationen von UDMHy mit TMGa und TEGa vorhergesagt, konnte aber bisher nur indirekt überprüft werden. Die Analyse der entsprechenden bimolekularen Reaktionen in der Ionenfalle zeigte die Bildung von größeren Addukten wie (CH3)2NN[(CH3)2Ga]2NN(CH3)2 bei Raumtemperatur zwischen UDMHy und TMGa. Analog zeigte sich die Bildung von (CH3)2NN[(C2H5)2Ga]2NN(CH3)2 mit UDMHy und TEGa. Abschließend lässt sich sagen, dass die Analyse der Oberflächenstrukturen und der Gasphase während des Wachstumsprozesses mit MOVPE neue Einblicke in den Abscheidungsprozess von III-V-Halbleitern hervorgebracht hat, besonders im Hinblick auf die verdünnt stickstoff- und verdünnt bismuthaltigen Materialsysteme. Beide Analysemethoden, sowohl die Oberflächenanalyse mittels RAS als auch die Gasphasenanalyse mittels Massenspektrometrie, ermöglichten zusätzliche Einblicke in die auftretenden chemischen Reaktionen und eine direkte Kontrolle des Wachstumsprozesses. Zukünftig sollten die Anwendung und das Verständnis dieser Methoden auf neuartige Materialen angewendet werden. Besonders die Analyse von ternären, quaternären oder neuartigen 2D-Materialsystemen ist interessant, da diese vorrausichtlich die Grundlage für neuartige Anwendungen im Themengebiet der Halbleiter bilden.

Excitons are fundamental electronic excitations in a semiconductor. They are bound states consisting of an electron in the conduction band and a positively charged hole in the valence band. They have hydrogen-like properties and are therefore referred to as the hydrogen analogues in solid states. In the semiconductor Cuprous Oxide, Cu2O, highly excited states of excitons can be observed with principal quantum numbers up to n = 25. These states are called Rydberg excitons in analogy to their atomic counterparts, the Rydberg atoms. The intention of this thesis is to gain new insights into fundamental properties of these Rydberg excitons by optical spectroscopy. The focus lies on one-photon absorption spectroscopy with high spectral resolution up to 5 nanoelectronvolts. The physics addressed in this thesis can be divided into three main topics. First, the interaction of Rydberg excitons with high principal quantum numbers n with both external electric and magnetic fields is studied. In the regime of high n, the density of states becomes so large that it becomes unfeasible to use a microscopic theory that explicitly considers every single state. Instead, general n-dependent scaling laws for various fundamental properties of Rydberg excitons are derived theoretically and proven experimentally. These scaling laws provide an efficient description of Rydberg excitons in the high-n regime and give fundamental insights into similarities and differences between Rydberg excitons and Rydberg atoms. Second, the behavior of Rydberg excitons surrounded by an electron-hole plasma is investigated. For this purpose, absorption spectra are presented, recorded at different densities of free carriers injected into the crystal by an off-resonant pump laser. Carrier densities as low as 0.01 µm−3 are found to lead to a lowering of the band gap and the disappearance of the highest exciton lines. A model based on screening of the Coulomb interaction by free charge carriers is presented that allows for a phenomenological description of the data. In this context, the experimental parameter space spanned by excitation power and temperature is investigated to determine the limiting factors for the observation of Rydberg excitons with principal quantum numbers higher than n = 25, the highest Rydberg exciton state observed so far. Indeed, at nanowatt laser powers and millikelvin temperatures, the extension of the observable exciton series to n = 28 is possible. The third part of this thesis addresses mutual interactions between Rydberg excitons. Combining data from pump-probe experiments with a detailed theoretical model for the shape of these spectra for several exciton interaction mechanisms clearly shows that long-range van der Waals-type interactions are the dominant contribution to interactions between Rydberg excitons.

Ein großer Teil der wissenschaftlichen Forschung beschäftigt sich heutzutage mit möglichen Alternativen zur bisherigen Informationstechnologie. Ein heißer Kandidat sind Spin Waves (SW) um Ladungen als Informationsträger abzulösen, wodurch Ohmische Verluste verringert werden würden. Die Erzeugung durch ultrakurze Laserpulse liefert einige Vorteile gegenüber der konventionelleren Methode mit Mikrowellen-Antennen. Fokussierte Laserstrahlen dienen hier als Punktquelle der SW und erlauben die Kontrolle der Ausbreitungsrichtung oder das Auswählen der jeweiligen SW Klasse. Ein einzlener Laserpuls erzeugt jedoch nur SW mit einem sehr breiten Frequenzspektrum, was sich in kurzen Propagationslängen und geringen Amplituden niederschlägt. In unserem Ansatz induzieren wir über den inversen Faraday Effekt eine Magnetisierungspräzession in magnetischen Bismuth-Eisengranat-Filmen mit zurkular polarisierten Femtosekunden Laserpulsen. Regen wir das System jedoch periodisch an mit einem Lasersystem basierend auf der ASOPS Technolgie und mit 1 GHz Repetitionsrate, so dass das Pulsintervall kürzer als die Relaxationszeit der Präzession ist, dann kann die Amplitude signifikant verstärkt werden. Diese kollektive Anregung der Magnetisierung erzeugt eine quasistationäre Quelle an SWs, eine kohärente Akkumulation von Magnonen ("Magnonen Wolke"). Dieser Ansatz hat einige Vorteile: (i) Die Magnonen Quelle ist verstimmbar, (ii) die SW Amplitude kann deutlich verstärkt werden, (iii) das Spektrum der erzeugten SWs ist sehr schmal was zu wesentlich längeren Propagationslängen führt, (iv) die SW Amplitude ist annäherend ohne zeitliche Dämpfung sobald die SW sich 20 µm oder mehr von der Quelle entfernt haben und (v) die SW Emission hat eine verstellbare Vorzugsrichtung. Wenn der Q-Faktor der angeregten Mode sehr groß ist, also ihre Lebensdauer deutlich länger als das Pulsintervall ist, dann lässt sich die Wellenlänge der erzeugten SWs zwischen 15 und einigen hundert Mikrometer verstellen indem die externe Magnetfeldstärke oder die Pulsrate nur leicht verändert werden. Die vorgestellten Resultate erweitern die Möglichkeiten der ultraschnellen, kohärenten optischen Manipulierung der Magnetisierung und liefern neue Methoden zur SW Erzeugung und Kontrolle, was für zukünftige Anwendungen in der Datenverarbeitung wichtig sein kann. Auf der anderen Seite kann die optische Orientierung (optical orientation) ein nützliches Werkzeug sein um Spin Kohärenz- und Dephasierungszeiten zu bestimmen. Die Probe, eine CdTe/CdMgTe Quantentopf-Halbleiter-Struktur, wird wieder periodisch mit zirkular polarisierten Laserpulsen angeregt, welche eine Spinpräzession in dieser anregen. Wenn resonant angeregt wird, so verstärkt sich die Präzessionsamplitude und aus ihrer Resonanzlinie kann die Spin-Dephasierungszeit T*2 und der Lande-Faktor g bestimmt werden.

submitted by Johannes S. Wildmann Abweichender Titel laut Übersetung der Verfasserin/des Verfassers Universität Linz, Univ., Dissertation, 2017

Im Rahmen dieser Arbeit wurden in Kugelmahlsynthesen nanokompositische Pulver auf der Basis von Bleitellurid und Zinntellurid dargestellt. Diese wurden mittels Press- und Sintertechniken zu Kompaktmaterialien verarbeitet, um die thermoelektrischen Parameter messen und zu den strukturellen Eigenschaften in Bezug zu setzen. Im ternären System Blei-Bismut-Tellur wurden bei der Zugabe von Bismut und BiTe zu Bleitellurid ein nicht-monotoner Verlauf der Gitterkonstanten und eine inhomogene Verteilung des Bismuts in der Matrix festgestellt. Ab einem Gehalt von etwa 5 mol-% Bismut steigt die elektrische Leitfähigkeit sprunghaft an und die Verbindungen gehen von einem halbleitenden in einen metallisch-leitenden Zustand über. Dies kann mit der Ausprägung von Perkolationseffekten assoziiert werden, die bereits im mikrokristallinen Material gefunden wurden. Mit Bismuttellurid variieren die strukturellen wie auch thermoelektrischen Parameter in Abhängigkeit vom Legierungsgrad dagegen linear. Wenn sich das Verhältnis zwischen Kationen und Anionen ändert, kommt es zu einer homogenen Verteilung des Bismuts. Die Messungen des Seebeck-Koeffizienten sowie der elektrischen Leitfähigkeit decken einen großen Temperaturbereich ab und wurden mit verschiedenen Instrumenten durchgeführt, wodurch Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der Messwerte bewiesen werden konnten. In dem quaternären Materialsystem Blei-Antimon-Silber-Tellur (Lead-Antimon-Silver-Tellurium, LAST-m), das ein sehr effizientes thermoelektrisches mikrokristallines Material ist, bildet sich auf Grund der Nanostrukturierung mittels Top-Down-Methode eine makroskopische Ausordnung der Minoritätsphase Silber-Antimon-Tellurid. Die elektrische Leitfähigkeit wird drastisch herabsetzt. In diesem Phasengemisch können die thermoelektrischen Eigenschaften nicht kontrolliert eingestellt werden. Somit eignet sich stöchiometrisches LAST-m, das über diesen Syntheseweg hergestellt wurde, nicht als thermoelektrisches Material. In dem verwandten Materialsystem Bismut-Blei-Silber-Tellur (Bismuth-Lead-Silver-Tellurium, BLST-m), das hier erstmals über Mechanisches Legieren synthetisiert wurde, verändern sich die thermoelektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Minoritätskomponente Silber-Bismut-Tellurid dagegen systematisch. Im Vergleich zum mikrokristallinen Material, das im Gegensatz zum nanostrukturierten Material bereits untersucht wurde, ist die Wärmeleitfähigkeit deutlich reduziert, da die Einführung zusätzlicher Korngrenzen durch die Nanostrukturierung eine erhöhte Phononenstreuung hervorruft. Diese ist auch eine Folge der kohärent in die Bleitellurid-Matrix eingewachsenen nanoskaligen Präzipitate der Minoritätsphase. Die Nanostrukturierung auf verschiedenen Längenskalen drückt sich in Mobilitätseffekten aus, denn auch die Ladungsträger werden gestreut und ihre Mobilität einschränkt. Dies resultiert in einer erheblich niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit, auch bedingt durch eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration, was jedoch zu einem erhöhten Seebeck-Koeffizienten führt. Die entdeckten Effekte lassen weiterführende Studien zur Korrelation zwischen Mikrostruktur und Funktion in diesem speziellen Material lohnenswert erscheinen. Des Weiteren gelang es, die Entwicklung Zinntellurid-basierter Systeme als lohnenswerte Ersatzmaterialien zu bleihaltigen Thermoelektrika voranzutreiben. Durch Nanostrukturieren und Legieren von Zinntellurid mit Silber-Antimon-Tellurid (Tin-Antimony-Silver-Tellurium, TAST-m) bzw. Silber-Bismut-Tellurid (Bismuth-Tin-Silver-Tellurium, BTST-m) konnte die thermoelektrische Effizienz im Vergleich zu Zinntellurid um eine ganze Größenordnung gesteigert werden. Während das erst genannte System bereits im Zentrum intensiver Forschung stand, sind zu Letzterem bislang nur die thermoelektrischen Eigenschaften des mikrokristallinen Materials bekannt gewesen. Strukturell bilden die beiden quaternären Systeme jeweils eine pseudo-binäre Mischkristallreihe. Analog zu verwandten Systemen, die auf Bleitellurid- und Zinntellurid basieren, wurden auch in kugelgemahlenem TAST-m und BTST-m nanoskalige Verzerrungen beobachtet, die durch die jeweilige Minoritätsphase hervorgefunden werden und für die niedrige Wärmeleitfähigkeit verantwortlich sind. Diese Nanostrukturen bilden sich in Zinntellurid erst nach der Kompaktierung der nanoskaligen Pulver im Rahmen der ersten Temperaturbehandlung aus. Die auf diese Materialien angewandte Top-Down-Methode des Mechanischen Legierens polykristalliner Elementpulver kombiniert deren intrinsische Nanostrukturierung mit der Einführung zusätzlicher Defekte, was die Wärmeleitfähigkeit deutlich reduziert. Mit der Methode des Co-Kugelmahlens wurde eine Alternative eingeführt, mit der sich gleichermaßen nanostrukturierte Kompositmaterialien herstellen lassen. Within the scope of this work, nanocompositic powders on the basis of lead telluride and tin telluride were produced using ball-milling syntheses. These powders were processed to compact materials using pressing and sintering techniques in order to measure the thermoelectric parameters which need to be correlated the structural properties. In the ternary system lead-bismuth-tellurium a non-monotonic trend in the lattice constants and an inhomogeneous distribution of bismuth in the matrix were found for lead telluride added with bismuth and BiTe. Starting at an amount of about 5 at.-% of bismuth the electrical conductivity of the compounds rises rapidly and a transition from a semiconducting to a metallic conducting behavior is observed. This can be associated with the formation of percolation effects which have been already found in the bulk material. In contrast, with bismuth telluride the structural as well as the thermoelectric parameters vary linearly in dependence of the alloying rate. When the ratio between cations and anions changes a homogeneous distribution of bismuth atoms occurs. The measurements of the Seebeck coefficient as well as the electrical conductivity cover a broad temperature range and were performed using different instruments whereby reliability and reproducibility of the values could be proven. In the quaternary material system lead-antimony-silver-tellurium (LAST-m) which is a very efficient thermoelectric bulk material a macroscopic precipitation of the minority phase forms when it is nanostructured by a top-down method. The electrical conductivity is being reduced drastically. In this phase mixture the thermoelectric properties cannot be adjusted in a controlled manner. Thus, stoichiometric LAST-m which was manufactured via this synthesis route is not suitable as thermoelectric material. Contrastingly, in the related material system bismuth-lead-silver-tellurium (BLST-m) which was synthesized here via mechanical alloying for the first time the thermoelectric properties change systematically in dependence of the minority component silver-bismuth-telluride. In comparison to the bulk material which was already studied the thermal conductivity is significantly reduced because the insertion of additional grain boundaries by nanostructuring causes an increased rate of phonon scattering. This is also a result of nanoscale precipitations of the minority phase coherently ingrown in the lead telluride matrix. Nanostructuring on different length scales is expressed in mobility effects because the charge carriers are also scattered and their mobility is being reduced. This results in a substantially lower electrical conductivity, also caused by a lower carrier concentration which, however, leads to an increased Seebeck coefficient. These discovered effects encourage further studies on the correlation between microstructure and function of this particular material. Furthermore, we succeeded developing tin telluride-based systems as hopeful substitute materials to lead-containing thermoelectrics. By nanostructuring and alloying of tin telluride with silver antimony telluride (tin-antimony-silver-tellurium, TAST-m) and silver bismuth telluride (bismuth-tin-silver-tellurium, BTST-m), respectively, the thermoelectric efficiency could be increased by about one order of magnitude in comparison to tin telluride. While the first mentioned system has already been in the focus of research, only the thermoelectric properties of the bulk material of the latter have been known so far. Structurally, each of these quaternary systems forms a pseudo-binary solid solution. Analogously to related systems based an lead telluride and tin telluride, in ball-milled TAST-m and BTST-m nanoscale distortions caused by the respective minority phase were also observed and held responsible for the low thermal conductivity. Those nanostructures do initially form in tin telluride during the first thermal treatment after the compacting of the nanoscale powders. The top-down method of mechanical alloying of polycrystalline elemental powders applied on these materials combines their intrinsic nanostructuring with the insertion of additional defects reducing the thermal conductivity significantly. Using the method of co-ball-milling an alternative was established for manufacturing of equally nanostructured composite materials.

submitted by Magdalena Schatzl Universität Linz, Univ., Dissertation, 2016

Im Rahmen dieser Arbeit wurden in Kugelmahlsynthesen nanokompositische Pulver auf der Basis von Bleitellurid und Zinntellurid dargestellt. Diese wurden mittels Press- und Sintertechniken zu Kompaktmaterialien verarbeitet, um die thermoelektrischen Parameter messen und zu den strukturellen Eigenschaften in Bezug zu setzen.Im ternären System Blei-Bismut-Tellur wurden bei der Zugabe von Bismut und BiTe zu Bleitellurid ein nicht-monotoner Verlauf der Gitterkonstanten und eine inhomogene Verteilung des Bismuts in der Matrix festgestellt. Ab einem Gehalt von etwa 5 mol-% Bismut steigt die elektrische Leitfähigkeit sprunghaft an und die Verbindungen gehen von einem halbleitenden in einen metallisch-leitenden Zustand über. Dies kann mit der Ausprägung von Perkolationseffekten assoziiert werden, die bereits im mikrokristallinen Material gefunden wurden. Mit Bismuttellurid variieren die strukturellen wie auch thermoelektrischen Parameter in Abhängigkeit vom Legierungsgrad dagegen linear. Wenn sich das Verhältnis zwischen Kationen und Anionen ändert, kommt es zu einer homogenen Verteilung des Bismuts. Die Messungen des Seebeck-Koeffizienten sowie der elektrischen Leitfähigkeit decken einen großen Temperaturbereich ab und wurden mit verschiedenen Instrumenten durchgeführt, wodurch Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der Messwerte bewiesen werden konnten.In dem quaternären Materialsystem Blei-Antimon-Silber-Tellur (Lead-Antimon-Silver-Tellurium, LAST-m), das ein sehr effizientes thermoelektrisches mikrokristallines Material ist, bildet sich auf Grund der Nanostrukturierung mittels Top-Down-Methode eine makroskopische Ausordnung der Minoritätsphase Silber-Antimon-Tellurid. Die elektrische Leitfähigkeit wird drastisch herabsetzt. In diesem Phasengemisch können die thermoelektrischen Eigenschaften nicht kontrolliert eingestellt werden. Somit eignet sich stöchiometrisches LAST-m, das über diesen Syntheseweg hergestellt wurde, nicht als thermoelektrisches Material.In dem verwandten Materialsystem Bismut-Blei-Silber-Tellur (Bismuth-Lead-Silver-Tellurium, BLST-m), das hier erstmals über Mechanisches Legieren synthetisiert wurde, verändern sich die thermoelektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Minoritätskomponente Silber-Bismut-Tellurid dagegen systematisch. Im Vergleich zum mikrokristallinen Material, das im Gegensatz zum nanostrukturierten Material bereits untersucht wurde, ist die Wärmeleitfähigkeit deutlich reduziert, da die Einführung zusätzlicher Korngrenzen durch die Nanostrukturierung eine erhöhte Phononenstreuung hervorruft. Diese ist auch eine Folge der kohärent in die Bleitellurid-Matrix eingewachsenen nanoskaligen Präzipitate der Minoritätsphase. Die Nanostrukturierung auf verschiedenen Längenskalen drückt sich in Mobilitätseffekten aus, denn auch die Ladungsträger werden gestreut und ihre Mobilität einschränkt. Dies resultiert in einer erheblich niedrigeren elektrischen Leitfähigkeit, auch bedingt durch eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration, was jedoch zu einem erhöhten Seebeck-Koeffizienten führt. Die entdeckten Effekte lassen weiterführende Studien zur Korrelation zwischen Mikrostruktur und Funktion in diesem speziellen Material lohnenswert erscheinen.Des Weiteren gelang es, die Entwicklung Zinntellurid-basierter Systeme als lohnenswerte Ersatzmaterialien zu bleihaltigen Thermoelektrika voranzutreiben. Durch Nanostrukturieren und Legieren von Zinntellurid mit Silber-Antimon-Tellurid (Tin-Antimony-Silver-Tellurium, TAST-m) bzw. Silber-Bismut-Tellurid (Bismuth-Tin-Silver-Tellurium, BTST-m) konnte die thermoelektrische Effizienz im Vergleich zu Zinntellurid um eine ganze Größenordnung gesteigert werden. Während das erst genannte System bereits im Zentrum intensiver Forschung stand, sind zu Letzterem bislang nur die thermoelektrischen Eigenschaften des mikrokristallinen Materials bekannt gewesen. Strukturell bilden die beiden quaternären Systeme jeweils eine pseudo-binäre Mischkristallreihe. Analog zu verwandten Systemen, die auf Bleitellurid- und Zinntellurid basieren, wurden auch in kugelgemahlenem TAST-m und BTST-m nanoskalige Verzerrungen beobachtet, die durch die jeweilige Minoritätsphase hervorgefunden werden und für die niedrige Wärmeleitfähigkeit verantwortlich sind. Diese Nanostrukturen bilden sich in Zinntellurid erst nach der Kompaktierung der nanoskaligen Pulver im Rahmen der ersten Temperaturbehandlung aus.Die auf diese Materialien angewandte Top-Down-Methode des Mechanischen Legierens polykristalliner Elementpulver kombiniert deren intrinsische Nanostrukturierung mit der Einführung zusätzlicher Defekte, was die Wärmeleitfähigkeit deutlich reduziert. Mit der Methode des Co-Kugelmahlens wurde eine Alternative eingeführt, mit der sich gleichermaßen nanostrukturierte Kompositmaterialien herstellen lassen., Within the scope of this work, nanocompositic powders on the basis of lead telluride and tin telluride were produced using ball-milling syntheses. These powders were processed to compact materials using pressing and sintering techniques in order to measure the thermoelectric parameters which need to be correlated the structural properties.In the ternary system lead-bismuth-tellurium a non-monotonic trend in the lattice constants and an inhomogeneous distribution of bismuth in the matrix were found for lead telluride added with bismuth and BiTe. Starting at an amount of about 5 at.-% of bismuth the electrical conductivity of the compounds rises rapidly and a transition from a semiconducting to a metallic conducting behavior is observed. This can be associated with the formation of percolation effects which have been already found in the bulk material. In contrast, with bismuth telluride the structural as well as the thermoelectric parameters vary linearly in dependence of the alloying rate. When the ratio between cations and anions changes a homogeneous distribution of bismuth atoms occurs. The measurements of the Seebeck coefficient as well as the electrical conductivity cover a broad temperature range and were performed using different instruments whereby reliability and reproducibility of the values could be proven.In the quaternary material system lead-antimony-silver-tellurium (LAST-m) which is a very efficient thermoelectric bulk material a macroscopic precipitation of the minority phase forms when it is nanostructured by a top-down method. The electrical conductivity is being reduced drastically. In this phase mixture the thermoelectric properties cannot be adjusted in a controlled manner. Thus, stoichiometric LAST-m which was manufactured via this synthesis route is not suitable as thermoelectric material.Contrastingly, in the related material system bismuth-lead-silver-tellurium (BLST-m) which was synthesized here via mechanical alloying for the first time the thermoelectric properties change systematically in dependence of the minority component silver-bismuth-telluride. In comparison to the bulk material which was already studied the thermal conductivity is significantly reduced because the insertion of additional grain boundaries by nanostructuring causes an increased rate of phonon scattering. This is also a result of nanoscale precipitations of the minority phase coherently ingrown in the lead telluride matrix. Nanostructuring on different length scales is expressed in mobility effects because the charge carriers are also scattered and their mobility is being reduced. This results in a substantially lower electrical conductivity, also caused by a lower carrier concentration which, however, leads to an increased Seebeck coefficient. These discovered effects encourage further studies on the correlation between microstructure and function of this particular material.Furthermore, we succeeded developing tin telluride-based systems as hopeful substitute materials to lead-containing thermoelectrics. By nanostructuring and alloying of tin telluride with silver antimony telluride (tin-antimony-silver-tellurium, TAST-m) and silver bismuth telluride (bismuth-tin-silver-tellurium, BTST-m), respectively, the thermoelectric efficiency could be increased by about one order of magnitude in comparison to tin telluride. While the first mentioned system has already been in the focus of research, only the thermoelectric properties of the bulk material of the latter have been known so far. Structurally, each of these quaternary systems forms a pseudo-binary solid solution. Analogously to related systems based an lead telluride and tin telluride, in ball-milled TAST-m and BTST-m nanoscale distortions caused by the respective minority phase were also observed and held responsible for the low thermal conductivity. Those nanostructures do initially form in tin telluride during the first thermal treatment after the compacting of the nanoscale powders.The top-down method of mechanical alloying of polycrystalline elemental powders applied on these materials combines their intrinsic nanostructuring with the insertion of additional defects reducing the thermal conductivity significantly. Using the method of co-ball-milling an alternative was established for manufacturing of equally nanostructured composite materials.

Der Durchbruch von PN-��berg��ngen stellt eine Parameter-Einschr��nkung f��r Halbleiter-Bauelemente dar und kann durch verschiedene Mechanismen auftreten. Einer dieser Mechanismen ist das sogenannte thermische Davonlaufen (thermal runaway). Bei ausreichend hoher Temperatur des PN-��bergangs kann der Leckstrom und mit ihm die elektrische Leistung exponentiell ansteigen. Dieses Ph��nomen ist vor allem im Zusammenhang mit Wafer-Level Reliability ein dr��ngendes Problem, da moderne Leistungsbauelemente bei immer h��heren Leistungsdichten und Temperaturen eingesetzt werden. Diese Arbeit dokumentiert den Versuch, einen High-Temperature-Reverse-Bias (HTRB)-Test bei der Nenn-Sperrspannung eines IGBT-Leistungshalbleiters zu realisieren. Zun��chst wurden das thermische Davonlaufen und der thermische Widerstand des experimentellen Aufbaus experimentell charakterisiert. Verschiedene Ans��tze zur L��sung des Problems wurden verfolgt und sind hier festgehalten. Darunter sind die Reduktion des thermischen Widerstandes mit verschiedenen Methoden, sowie das Anlegen einer gepulsten Stressspannung, um die elektrische Leistung periodisch zu verringern. Die Reduktion des thermischen Widerstands lieferte keine praktisch anwendbare L��sung. Die Degradation der Parameter des Bauelements wurde f��r gepulste und konstante Stressspannung mittels der Anwendung statistischer Methoden verglichen. Ebenso wurde der Einfluss von HTRB auf die Schwellenspannung untersucht. Die Degradation, die der konstante HTRB verursacht, konnte mit der gepulsten Methode nicht reproduziert werden. Dieses Resultat wurde auch im Hinblick auf den zugrunde liegenden physikalischen Degradationsmechanismus analysiert. Hierf��r wurden verschiedene physikalische Modelle in Erw��gung gezogen. Eine gute ��bereinstimmung mit einem bereits etablierten Modell basierend auf der Drift ionischer Ladungen wurde gefunden. Diese Arbeit wurde bei Infineon Technologies Austria AG in Villach mit wissenschaftlicher Betreuung durch Mitarbeiter der KAI (Kompetenzzentrum f��r Automobil- und Industrieelektronik) GmbH erstellt., Junction breakdown is a limiting factor in semiconductor devices and can occur through various mechanisms. One of these mechanisms is known as thermal instability/runaway. At sufficiently high junction temperatures, the leakage current and with it the electric power can increase exponentially. In the context of wafer-level reliability, this is a pressing issue because current generations of power devices operate at increasingly high power densities and temperatures that make them prone to this breakdown phenomenon. Described is an attempt to realize a wafer-level High-Temperature-Reverse-Bias (HTRB)-test at the nominal device specifications of an IGBT power device. First, the thermal instability and thermal resistance of the setup were experimentally characterized. Several approaches to the problem were pursued and are documented. One is the reduction of the thermal resistance of the measurement setup using various methods. Another one is the pulsed application of stress bias in order to provide the device with periodical phases of reduced power, allowing the junction temperature to decrease. The reduction of the thermal resistance did not yield a usable solution for the problem. Thus, the focus of the work switched to pulsed HTRB. Here, especially the resulting degradation of the device parameters caused by it as opposed to a constant HTRB was considered. To this end, the parameter degradation was compared for both stress methods using statistical tools. Additionally, the influence of HTRB on the device threshold voltage was studied. It was found that the degradation caused by the constant HTRB cannot be reproduced using the pulsed method. This result was also analysed with respect to the underlying physical degradation mechanism. For the parameter degradation during HTRB, several physical models were considered. A good agreement was found between the data and an existing model based on the drift of ionic charges. The thesis was completed at Infineon Technologies Austria AG in Villach with scientific supervision provided by KAI (Kompetenzzentrum f��r Automobil- und Industrieelektronik) GmbH personnel.

For the past decades, down-scaling of metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFET) devices was the main driving force of enhancing the computational performance of electronic devices. Also, the decreasing overall power consumption in computations has become a pressing challenge on a global scale. However, during the last years, conventional down-scaling of the silicon-based MOSFET has reached its limitations. As a consequence, new materials besides Si are studied and alternative device principles for the MOSFET are being researched. One of the most promising candidates for replacing the MOSFET is the band-to-band tunneling field-effect transistor (TFET). TFETs are gated p-i-n diodes, which have the potential for exhibiting a steeper inverse subthreshold-slope S than the MOSFET, meaning faster switching and reduced power consumption. In this thesis, TFET devices based on silicon-germanium (SiGe) are presented. After the theoretical introduction into the working principle of the TFET the grand challenges are addressed, which have to be faced in building a MOSFET-competitive tunneling device, with the goal of obtaining a steep slope S and high on-currents I_on. Si_1-xGe_x, with different Ge concentrations x, as a channel material and high-k oxides for gate dielectrics are discussed for improving the TFET performance. Experimental TFETs on compressively biaxially strained Si_1-xGe_x with x=0.35, 0.5 and 0.65 show a distinctive switching behavior depending on the Ge concentration. TFET devices on Si_0.5Ge_0.5 exhibit the best electrical performance, where the best values of slope and current that are observed amount to S=162mV/dec and I_on=4uA/um, respectively. However, these TFETs show an ambipolar behavior, due to their bipolar p-i-n architecture, meaning that the devices are switched on for both, negative and positive gate voltages. This makes the devices less suitable for logical switching. To solve this problem, Si_0.5Ge_0.5 TFETs with asymmetrically doped source and drain are fabricated and analyzed. Depending on the doping concentration of the n and p sides, these devices show a unipolar behavior, but at expenses of on-current reduction. To obtain tunnel devices with optimal properties, hetero-structure TFETs with p-Si_0.5Ge_0.5 source, iSi channel and nSi drain are introduced. The devices which feature an in-situ doped source exhibit an improved slope of up to S=65mV/dec. These SiGe/Si hetero-structures also were studied with different gate oxides and oxide thickness. The capacitance effective thickness (CET) heavily impacts the device performance: those devices with the smallest CET, featuring a thin HfO_2 dielectric (k=22) show a greatly improved performance to those with thicker Al_2O_3 dielectric (k=9). To address the scalability of the TFETs, Si/SiGe hetero-structures are fabricated with different gate lengths of L_g=100 and 200nm (short channel, SC) and L_g=600, 1000 and 1500nm long channel, LC. These devices were also used to study the role of line and point tunneling within the TFET. LC devices show an increasing I_on for increasing L_g, due to an increased amount of line tunneling, while the amount of point tunneling stays constant. This is confirmed by device simulations. These simulations also show that devices show an improved slope, if the device is built such that the sub-threshold regime is dominated by line tunneling.

Der Einfluss von isolektronischen Störstellen auf die Eigenschaften von Verbindungshalbleitern wird anhand zweier Beispiele diskutiert: Zum einen Stickstoff in Ga(As,P) Quantenschichtstrukturen, zum anderen Schwefel bzw. Selen in ZnTe Einkristallen. Die Eigenschaften werden hierbei auf zwei durch optische Spektroskopie erfassbare Aspekte reduziert: Bandbiegung, d.h. der nicht-lineare Trend der Bandlücke des Mischmaterials auf der einen und Unordnung, d.h. insbesondere die Bildung einer stark lokalisierter Zustandsdichte unterhalb der fundamentalen Bandlücke auf der anderen Seite. Neben der rein experimentellen Betrachtung wird auch ein Einblick in die theoretische Simulation der unordnungsbedingten temperaturabhängigen Lumineszenz-Eigenschaften der Halbleiter durch Monte-Carlo-Simulationen gegeben., Isolectronic impurities and their impact on the properties of compound semiconductors is discussed in two systems: Nitrogen in Ga(As,P) quantum wells on the one hand and Sulfur and Selenium in bulk ZnTe. The properties are reduced to two experimentally observable aspects: Band Bowing, i.e. the non-linearity of the band gap of the compound semiconductor and disorder, i.e. in particular the formation of a strongly localized density of states beneath the fundamental band gap. Apart of the pure experimental studies an insight into the theoretical model of disorder-induced temperature dependent luminescence properties of the compound semiconductors by means of Monte Carlo Simulations is given.

Throughout this work the electronic transport properties of InAs, InN, and GaAs/InAs core/shell nanowires have been analyzed. This includes the analysis of specific resistivity at room temperature and low temperatures as well as the breakdown of resistivity by a contribution of mobility and carrier concentration using gate measurements. While the InN nanowires showed homogeneous transport properties, there was a large statistical spread in the properties of InAs nanowires. Differing crystal structures and the surface conditions are identified to be the main reasons for the statistical spread. Both quantities of influence have been pointed out by comparing the transport parameters before and after a surface treatment (electron irradiation and long time ambient air exposure), and by comparing the transport parameters of wires grown by different growth methods which exhibit different kinds of crystal structure. In particular, the temperature dependence of the conductivity revealed different activation energies in nanowires with differing crystal structures. An explanation has been suggested in terms of stacking fault induced potential barriers. A field-effect measurement setup has been utilized to determine the nanowire mobility and carrier concentration. Even though this method is widely used for nanowires, it is subject to a serious disadvantage concerning the influence of surface and interface states on the measurements. As an alternative method which does not suffer from this drawback, Hall measurements have been successfully performed on InAs nanowires for the first time. These measurements became possible because of the utilization of a new electron beam lithographic procedure with an alignment accuracy in the 5 nm range. Carrier concentration values could be determined and compared to the ones obtained from conventional field-effect measurements. The results of the Hall measurements revealed a methodical overestimation of the carrier concentrations obtained from the field-effect measurements due to the influence of surface states. The homogeneity in transport characteristics of the InN nanowires allowed for an accurate analysis of the diameter dependence of the nanowire resistivity. The effect of donor deactivation has been found to increase the resistivity of InN nanowires with small diameters. Furthermore, a quantum confinement effect has been observed in GaAs/InAs core/shell nanowires. For very low shell thicknesses below 10 nm a drastic resistivity increase has been found. Simulations with a self consistent Schrödinger-Poisson solver confirmed the interpretation in terms of quantum confinement. A further major topic of this work has been the analysis of phase coherent transport at low temperatures. In particular, universal conductance fluctuations have been analyzed and a consistent method to determine the phase coherence length quantitatively has been developed. In addition, transport measurements on GaAs/InAs core/shell nanowires with a magnetic field applied parallel to the wire axis demonstrated Aharonov-Bohm-type conductance oscillations. An explanation in terms of coherent angular momentum quantum states in the conductive InAs shell has been developed to interpret these oscillations. To conclude, both room temperature and low temperature measurements allowed gaining insights into basic classical as well as quantum transport properties of nanowires. In the face of a future application of nanowires in quantum information processing or their use in so-called phase-based switching devices, valuable information is provided within this work. Furthermore, the room temperature results show that for application of nanowires in electronic devices, both the crystal structure and the surface conditions have to be controlled. Here, it will be inevitable for future progress to achieve a controlled passivation of the wire surfaces for defined and stable surface conditions. Furthermore, a more detailed investigation of the correlation between the crystal structure and the transport properties is needed.

The equations of motion necessary for the computation of luminescence spectra in realistic semiconductor heterostructures are presented. The combination of these multiband semiconductor luminescence equations on the level of two-particle correlations and scattering terms in 2nd Born-Markov approximation with a k.p-bandstructure calculation allows the quantitative modeling of luminescence spectra. This is demonstrated in theory-to-experiment comparisons. It is also shown why simple rate equations for the luminescence fail at high excitation intensity. Combining bandstructure calculation, semiconductor luminescence equations, and semiconductor Bloch equations it becomes possible to compute a variety of optical properties of semiconductors consistently and quantitatively. This is utilized to compute the appropriate gain spectra from measured luminescence spectra. It is further used to study the expected lasing properties and the carrier loss mechanisms of GaInNAs/GaAs structures in the technologically interesting wavelength range of 1550nm. Finally, the optical properties of a type I to type II transition in the band gap alignment in heterostructures are investigated. In doing so, photomodulated reflectance spectra are computed and analyzed with the help of microscopic theory for the first time., Die Bewegungsgleichungen zur Berechnung der Lumineszenz in realistischen Halbleiterheterostrukturen werden präsentiert. Die Verbindung dieser Multiband-Halbleiterlumineszenzgleichungen auf dem Niveau von Zweiteilchenkorrelationen und Streutermen in zweiter Bornscher und Markovscher Näherung mit einer k.p Bandstrukturrechnung ermöglicht die genaue Berechnung von Lumineszenzspektren. Das wird in Theorie-Experiment Vergleichen gezeigt. Mit dieser mikroskopischen Modellierung wird auch nachgewiesen, warum einfache Ratengleichungen für die Lumineszenz bei starker Anregung versagen. Durch die Kombination: Bandstrukturrechnung - Halbleiterlumineszenzgleichungen - Halbleiter-Bloch-Gleichungen können viele optische Eigenschaften von Halbleitern konsistent und quantitativ berechnet werden. Das wird benutzt, um aus gemessenen Lumineszenzspektren Gewinnspektren zu ermitteln und um die zu erwartenden Lasereigenschaften und die Ladungsträgerverluste von GaInNAs/GaAs Strukturen im technologisch interessanten Wellenlängenbereich von 1550nm zu studieren. Schließlich wird untersucht, wie sich ein Typ I zu Typ II Übergang in der Anordnung der Energielücken in Heterostrukturen auf die optischen Eigenschaften auswirkt. Dafür werden auch zum ersten Mal photomodulierte Reflexionsspektren mit Hilfe mikroskopischer Theorie berechnet und analysiert.

Diplomarbeit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1989; Diplomarbeit, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1989, The hot electron transport in the ballistic regime is calculated for inhomogeneously doped sub-micron structures [0.4 μm] of GaAS, based on the coupled Boltzmann transport - and Poisson equations. We use for the solution of this integrodifferential equation system the moment method, with a six equations hiearchy. Numerically, we apply for the first time the homotopy analysis method for the solution of this nonlinear equation system which allows us to describe the strong non-equilibrium electron transport in three dimensions. Thereby, for the first time, the three dimensional semi-classical electron transport can be calculated together with quantum-mechanical collision operators, here acoustic electron-phonon as well as electron-impurities interactions. With this three-dimensional electron transport Boltzmann‘ moment equations we are able to calculate the behaviour of temperature variation orthogonal to the direction of transport.