Structural and optical investigation of non-polar (1-100) GaN grown by the ammonothermal method

This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and AIP Publishing. This article appeared in Journal of Applied Physics 113, 203513 (2013) and may be found at https://doi.org/10.1063/1.4807581.We studied the structural and optical properties of state-of-the-art non-polar bulk GaN grown by the ammonothermal method. The investigated samples have an extremely low dislocation density (DD) of less than 5 × 104 cm−2, which results in very narrow high-resolution x-ray rocking curves. The a and c lattice parameters of these stress-free GaN samples were precisely determined by using an x-ray diffraction technique based on the modified Bond method. The obtained values are compared to the lattice parameters of free-standing GaN from different methods and sources. The observed differences are discussed in terms of free-electron concentrations, point defects, and DD. Micro Raman spectroscopy revealed a very narrow phonon linewidth and negligible built-in strain in accordance with the high-resolution x-ray diffraction data. The optical transitions were investigated by cathodoluminescence measurements. The analysis of the experimental data clearly demonstrates the excellent crystalline perfection of ammonothermal GaN material and its potential for fabrication of non-polar substrates for homoepitaxial growth of GaN based device structures

Optische und strukturelle Eigenschaften von Indiumnitrid Epi-Schichten und deren Wachstum mittels Hochdruck-Gasphasenepitaxy

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der optischen und strukturellen Eigenschaften von epitaktisch gewachsenen Gruppe-III-Nitrid Filmen sowie des Wachstums von Indiumnitrid (InN) und indiumreichem Indiumgalliumnitrid (InGaN) mittels Hochdruck-Gasphasenepitaxie (High-Pressure Chemical Vapour Deposition, HPCVD) dargestellt. Die Vor- und Nachteile verschiedener Wachstumsverfahren für InN und InGaN werden kurz erläutert, um die Forschung an Hochdruck-Gasphasenepitaxy zur Überwindung gegebener Limitierungen im Wachstumsprozess zu motivieren. HPCVD (auch als Superatmospheric-CVD bezeichnet) ist eine recht neue Technik, die an der Georgia State University (GSU)erforscht wird. Ziel der Arbeit ist es, zu zeigen, wie weit die Wachstumstemperatur von indiumreichen Gruppe-III Nitriden, durch die Stabilisierung der Wachstumsoberfläche in einer Hochdruck-Stickstoffatmosphaere, erhöht werden kann. Es werden verschiedene Serien von Proben untersucht, um den Einfluss des Drucks im Reaktor, des Massenflussverhältnisses von Gruppe-V und Gruppe-III Präkursoren und des Abstands der Präkursorpulse, auf die strukturellen und optischen Eigenschaften zu bestimmen. Systematische Variationen der Expositionszeiten der Wachstumsoberfläche zum Ammoniak zeigen, dass der Transport und Einbau des flüchtigen Stickstoffs das Wachstum limitieren. Daher muss für das Wachstum von InN der Abstand zwischen einem Ammoniakpuls und dem folgenden Puls des metallorganischen Präkursors so kurz wie möglich sein, für InGaN dagegen ist mit steigendem Ga-Gehalt ein größerer Abstand zwischen diesen Pulsen nötig. Optimierungen des Wachstums von InN bei einem Reaktordruck von 15 bar haben gezeigt, dass bei einem V/III-Verhältnis von 2800 und einer Temperatur von 876°C qualitativ hochwertige InN Schichten gewachsen werden können. Mit angepassten Pulsseparationen wird das Wachstum von phasenreinem, indiumreichem InGaN über einen weiten Kompositionsbereich demonstriert. Die Photolumineszenz(PL)-Spektren von HPCVD InN Epi-Schichten zeigen eine breite PL unterhalb von 0,8 eV, mit einer abfallenden Flanke bis zu 0,7 eV. In Folge hoher freier Ladungsträgerdichte kommt es zum Auffüllen des Leitungsbands und zu einer Vergrößerung der effektiven optischen Bandlücke. Qualitativ hochwertige MOCVD und MBE Proben zeigen longitudinal-optische Phonon-Plasmonen (LPP) Kopplung und geringere Übergangsenergien. Der Vergleich dieser Filmen zeigt, zusammen mit Ergebnissen aus Messungen der LPP-Moden, ein Schieben der PL zu niedrigeren Energien mit abnehmender Ladungsträgerdichte. Für die Probe mit der besten Kristallqualität werden temperatur-, leistungs- und polarisationsabhängige PL-Messungen gezeigt. Die Ladungsträgerdichte liegt gerade an der Grenze zum degenerierten Halbleiter, bei Erhöhung von Anregungsleistung oder Temperatur wird der Übergang zum degenerierten Halbleiter beobachtet. Um den Einfluss hoher Ladungsträgerdichten auf die strukturellen und optischen Eigenschaften von Gruppe-III-Nitriden zu erforschen, werden mit Silizium und Germanium hochdotierte GaN Filme untersucht. Die PL zeigt, dass mit Ge deutlich höhere freie Ladungsträgerdichten von bis zu 2*10^20 cm^-3 erreicht werden, ohne dass Kompensation oder eine Verschlechterung der Materialqualität auftritt. Für Ge dotierte Filme wird ein nahezu unverspanntes Wachstum auf GaN Pufferschichten beobachtet, mit Si wird starke tensile Verspannung und Kompensation beobachtet. Für die freie Ladungsträgerdichte wird eine gute Übereinstimmung mittels der Analyse der LPP-Moden und Hall-Eekt Messungen erzielt. Selbst bei höchster Dotierung werden exzitonische Übergänge, sogenannte Mahan-Exzitonen, beobachtet.In the framework of this work, the structural and optoelectronic properties of epitaxial group III-nitride alloys grown with different deposition techniques will be correlated. A strong emphasis lays in the growth and characterization of epitaxial indium nitride (InN) and indium-rich indium gallium nitride (InGaN) layers by means of high-pressure chemical vapor deposition (HPCVD). The work will provide a brief summary of the advantages and disadvantages of the various deposition techniques presently explored for the growth of InN and InGaN epitaxy, motivating the exploration of HPCVD to overcome the present encountered processing limitations. HPCVD (also denoted as superatmospheric CVD) is a rather new thin film growth technique presently explored at Georgia State University (GSU), with the goal of assessing to what extent superatmospheric reactor pressure enables the stabilization of indium-rich InGaN and their integration into wide bandgap III-nitrides. Different series of InGaN epilayers have been characterized to assess the influence of reactor pressure, the molar group V/III precursors ratio, and precursor pulse separation times, on the structural and optoelectronic properties of the epilayers. Systematic studies on the influence of the precursor exposure timing sequence on the growth surface chemistry revealed that transport and incorporation of the volatile nitrogen species to and at the growth surface are growth limiting steps. Thus, the precursor pulse separation in between ammonia and the following metalorganic precursor has to be as short as possible for the growth of InN, while larger separations are required as the Ga concentration in InGaN is increased. The optimization of InN growth at 15 bar reactor pressure revealed that for a V/III molar precursor flow ratio of 2800 and at a growth temperature of 876°C high quality InN epilayer can be deposited. Adjusting the timing sequences for the growth of InGaN demonstrated the ability to grow single phase, indium-rich InGaN over a wide compositional range. The photoluminescence (PL) spectra for HPCVD grown InN epilayers show broad PL at photon energies below 0.8 eV, tailing down to 0.7 eV. This is due to the high free carrier concentration in the epilayer, filling the conduction band and effectively increasing the optical bandgap. High quality MOCVD and MBE grown epilayers show a shift of the PL to lower photon energies (red shift) and show longitudinal-optical phonon-plasmon (LPP) coupling. The comparison of InN samples grown with different growth techniques shows a further red shift with lower carrier concentration. These results are in good agreement with results obtained from LPP measurements. Temperature and excitation power as well as polarization dependent measurements of the sample with the highest crystalline quality are presented. The free carrier concentration is on the edge towards a degenerated semiconductor, showing degenerated behavior for increased excitation power and temperatures. To assess how high doping levels effect the structural and optical properties of III-nitrides, GaN layers highly doped with silicon (Si) and germanium (Ge) have been investigated. The PL analysis revealed that doping with Ge allows for considerably higher free carrier concentrations of up to 2*10^20 cm^-3 without significant compensation or structural degradation. Almost strain free growth of the Ge doped films on GaN buffers is observed, whereas for Si-doping high tensile strain and strong compensation is observed. The free carrier concentration in the layers were analyzed by LPP measurements and by Hall-effect measurements, both agreeing well. The optical analysis showed that even in the highest Ge-doped sample excitonic transitions can be observed, indicating the existence of so called Mahan excitons

Cognitive dysfunction or chemobrain

Cognitive dysfunction (CD) occurred in up to 50% of patients with cancer during or after cancer therapy. The CD can occur in the context of a chemotherapeutic treatment, as well as in radiation therapy or after anesthesia in connection with surgery. The symptoms can be deteriorate up to half a year after the end of the treatment and in several studies up to 70% of the patients suffering from CD. The pathomechanisms of the CD are rudimentary understood and it seems to be a multifactoral origin. In addition, the impact of possible risk factors is still unclear.Eine kognitive Dysfunktion (KD) wird von bis zu 50% der Patienten mit einer Krebserkrankung während oder nach einer akutmedizinischen Behandlung beschrieben. Dabei kann die KD im Rahmen einer chemotherapeutischen Behandlung, als auch bei Strahlentherapie oder nach einer längeren Narkose bei Operationen auftreten. Die Symptomatik kann sich bis zu einem halben Jahr nach Ende der akutmedizinischen Behandlung noch weiter verschlechtern und erreicht dann in einzelnen Studien einen Anteil von bis zu 70%. Die Pathomechanismen der KD sind nur ansatzweise verstanden und es scheint sich am ehesten um ein multifaktorielles Geschehen zu handeln. Darüber hinaus ist die Bedeutung der einzelnen möglichen Risikofaktoren weiterhin unklar

Sex allocation in a polyembryonic parasitoid with female soldiers: an evolutionary simulation and an experimental test.

Parasitoid wasps are convenient subjects for testing sex allocation theory. However, their intricate life histories are often insufficiently captured in simple analytical models. In the polyembryonic wasp Copidosoma koehleri, a clone of genetically identical offspring develops from each egg. Male clones contain fewer individuals than female clones. Some female larvae develop into soldiers that kill within-host competitors, while males do not form soldiers. These features complicate the prediction of Copidosoma's sex allocation. We developed an individual-based simulation model, where numerous random starting strategies compete and recombine until a single stable sex allocation evolves. Life-history parameter values (e.g., fecundity, clone-sizes, larval survival) are estimated from experimental data. The model predicts a male-biased sex allocation, which becomes more extreme as the probability of superparasitism (hosts parasitized more than once) increases. To test this prediction, we reared adult parasitoids at either low or high density, mated them, and presented them with unlimited hosts. As predicted, wasps produced more sons than daughters in all treatments. Males reared at high density (a potential cue for superparasitism) produced a higher male bias in their offspring than low-density males. Unexpectedly, female density did not affect offspring sex ratios. We discuss possible mechanisms for paternal control over offspring sex

Smart bridge - Prototype for assessing and updating the condition state and reliability of elements of the bridge model

Dieser Bericht beschreibt ein Systemmodell für eine integrale Ermittlung und Prognose der Schadens- und Zustandsentwicklung der Elemente eines Brückensystems unter Berücksichtigung von Ergebnissen aus Inspektionen und Überwachung. Das Systemmodell wurde anhand eines ausgesuchten Spannbetonüberbaus in einzelliger Kastenbauweise entwickelt. Es besteht aus zwei integralen Teilmodellen: ein Modell zur Beschreibung des Systemschädigungszustandes und ein Modell zur Beschreibung der Standsicherheit. Für die Modellierung des stochastischen Systemschädigungszustandes eines Brückensystems werden dynamische Bayes'sche Netze (DBN) vorgeschlagen. Dieser Ansatz ermöglicht es, alle relevanten Schädigungsprozesse und deren stochastische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass DBN ideal dafür geeignet sind, Bayes'sche Aktualisierungen auf Grundlage von Informationen aus Inspektionen und Überwachungsmaßnahme auf eine effiziente und robuste Art und Weise durchzuführen. Der DBN-Ansatz ist deshalb für die Entwicklung von Software für das Erhaltungsmanagement von alternden Brückenbauwerken, die vom Benutzer keine vertieften Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie verlangt, ideal geeignet. Für die Modellierung der Standsicherheit eines alternden Kastenträgers wird vereinfachend Biegeversagen des globalen Längssystems betrachtet. Zur Berechnung der maximalen Traglast eines Kastenträgers infolge des Systemschädigungszustandes wird ein plastisch-plastisches Verfahren eingesetzt, wobei die Beanspruchungen mittels der Fließgelenktheorie unter Ausnutzung der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte des Kastenträgers ermittelt werden. Ein Kastenträger versagt, wenn sich durch die Ausbildung einer ausreichend großen Anzahl von Fließgelenken eine kinematische Kette ausbildet. Dieser Modellierungsansatz berücksichtigt Redundanzen, die sich aus der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte und der statischen Unbestimmtheit eines Kastenträgers ergeben. Zum Nachweis der praktischen Einsetzbarkeit des entwickelten Systemmodells wurde ein Software-Prototyp entwickelt, der eine intuitiv benutzbare graphische Benutzeroberfläche (Front-End) mit einem Berechnungskern (Back-End) koppelt. Die aktuelle Version des Software-Prototyps implementiert ein Modell der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion und ein Tragwerksmodell, welches das Verfahrens der stetigen Laststeigerung zur Bestimmung der maximalen Traglast des Kastenträgers auf der Grundlage eines Finite-Elemente-Modells umsetzt. Zur Durchführung von Bayes'schen Aktualisierungen des Systemschädigungszustandes auf der Grundlage des DBN-Modells implementiert der Prototyp den Likelihood-Weighting-Algorithmus. Die entwickelte Architektur des Prototyps ermöglicht eine Erweiterung der Software um weitere Schädigungsprozesse. Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit eines Kastenträgers. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.This report describes a system model for assessing and updating the condition state and reliability of bridge structures utilizing inspection and monitoring data. The system model was developed on the basis of an existing continuous single-cell prestressed concrete box girder. The system model consists of two integrated sub-models: a condition model for predicting the deterioration state of the box girder and a structural model for evaluating the overall system reliability. To model the stochastic deterioration state of bridge structures, we utilize dynamic Bayesian networks (DBN). DBN are a computational framework suitable for modeling all relevant stochastic deterioration processes and their stochastic dependencies. Bayesian updating of stochastic deterioration models with monitoring and inspections data can be performed robustly and efficiently on the basis of DBN. The DBN framework is therefore ideally suited for developing software for the management of deteriorating structures that can be applied by engineers who are not experts in reliability analysis. We adopt a simplified approach which considers global bending failure of the box girder to determine the system failure probability of an aging box girder. The ultimate capacity of a box girder conditional on a certain system deterioration state is estimated on the basis of plastic hinge theory. System failure occurs if sufficient plastic hinges develop under the applied loads such that a kinematic collapse mechanism of the continuous box girder is formed. This approach accounts for structural redundancies of the continuous box girder with respect to its plastic cross-sectional capacity and its static indeterminacy. To prove the concept, a software prototype has been developed which couples an easy-to-use graphical user interface (front-end) with a computational engine (back-end). The current version of the prototype implements a model of chloride-induced reinforcement corrosion and a structural model which performs the plastic limit analysis for determining the ultimate capacity of the box girder on the basis of a finite element model. The prototype implements the likelihood weighting algorithm to perform Bayesian updating of the deterioration state on the basis of the DBN model. The developed software architecture allows an extension of the software to include further deterioration process. The developed software prototype provides the functionality for quantifying the effect of inspection and monitoring data on the condition state and reliability of a single-cell prestressed concrete box girder. It can be applied by engineers who are not experts in reliability analysis. It can be concluded that the current prototype provides the basis for identifying efficient inspection and monitoring strategies and optimizing the management of aging structures