Optical characterization of InGaAsN / GaAs quantum wells: Effects of annealing and determination of the band offsets

In the last decade great attention has been given to the characteristics of dilute nitrides. Both their peculiar physical properties and their wide range of possible applications have attracted the interest of many experimental and theoretical groups. In this thesis work some open questions about the fundamental properties of dilute nitrides have been answered. Two important topics have been investigated: the correlation between the optical and morphological properties of InGaAsN / GaAs single quantum well samples (SQWs) and a quantitative, model-independent determination of the band offsets for the same types of structures. In chapter 3, a combined study of photoluminescence (PL) measurements and transmission electron microscopy (TEM) analysis has allowed to find a direct correlation between the degree of carrier localization in the sample and the homogeneity of the material. In particular, the degree of localization increases with increasing the inhomogeneity of the QW layer. On the basis of that, it has been found that the growth temperature (Tg) and the indium content strongly influence the morphology of the InGaAsN QW samples. With increasing Tg or with increasing [In], the inhomogeneity of the sample increases. The growth temperature affects also the optical properties of InGaAsN SQWs. By raising Tg, the PL intensity degrades and the peak emission energy red shifts. On the other hand, the indium content does not remarkably influence the PL efficiency of the QW. The only exception is for very high indium contents ([In] > 34%). In this case, dislocations due to strain relaxation and / or other types of non-radiative recombination centres are created causing a drastic decrease of the PL intensity. After annealing both the morphological and the optical properties are modified. Most notably, by employing samples grown in the range of temperatures between 360 °C and 480 °C annealed in different environments, two important conclusions have been found. First of all, morphology and PL efficiency are not always correlated and secondly, the PL efficiency of a QW directly depends on the density of non-radiative centres. Annealing samples in different atmospheres is a novelty in the literature and it has been the key-point to reach these findings. The first conclusion has been obtained by performing photoluminescence measurements on samples annealed in hydrogen and argon environment, and comparing the results with those of as-grown samples. It has been shown that while the PL intensity of H2-annealed samples is maximum for low values of Tg (400 °C) and minimum for high Tg (450 °C), the PL intensity of the Ar-annealed samples is maximum for high values of Tg (450 °C) and minimum for low Tg (400 °C). In contrast, the degree of localization and the TEM images have shown the same Tg-behaviour, independently of the annealing environment. The second conclusion has been reached by performing time resolved photoluminescence measurements on the same series of samples. It has been shown that whilst the radiative decay time varies with Tg in the same manner for the two annealing atmospheres, i.e. it increases with increasing Tg, the non-radiative decay time varies with the growth temperature in a different way for different annealing environments. In particular, the non-radiative decay time decreases with increasing Tg for H2-annealed samples and increases with increasing Tg for Ar-annealed samples. This behaviour correlates in both cases with the dependence of the PL intensity on the growth temperature. In addition to that, by performing power dependent PL measurements, it has been verified that changes of degree of localization after annealing are only due to morphological modification of the sample. By comparing the results obtained performing PL measurements on GaAsN / GaAs, InGaAs / GaAs, and InGaAsN / GaAs SQW samples, it has been shown that at least two different type of defects are created during the growth of InGaAsN SQWs. One type of defect is related to the presence of nitrogen. The density of these defects increases with Tg and decreases by annealing. Defects of another type are related to the simultaneous presence of indium and nitrogen. They are created at low Tg and tend to agglomerate under annealing. These two types of defects have been employed in a simple model in order to justify the main results obtained in this chapter. In chapter 4, a much debated topic has been analysed: the evolution of the band offsets of InGaAsN / GaAs structures with varying QW parameters. The chapter has been initially focussed on the refinement of the information which can be obtained employing an experimental method developed at Infineon Technologies based on surface photovoltage (SPV) measurements. With this method it is possible to identify optical transitions involving bound states and extended states in a QW sample. In particular, in addition to the bound-to-bound transitions, also the indirect transition from the extended state of the valence band to the first confined state of the conduction band can be identified. This allows the easy determination of the practical band offsets of the QW. These quantities represent the energy values of the conduction (valence) band offset of the heterostructures without the value of the first quantized state of the electrons (holes). For the design of a device, the practical band offsets are fundamental quantities because they quantify the real confinement of the carriers in the well. SPV measurements have been performed on several dedicated series of samples. The results have been compared with those obtained employing other optical techniques and performing theoretical simulations. It has been shown that by using this method, it is possible to gather comprehensive information about a single quantum well which otherwise could be obtained only by combining different experimental techniques and theoretical calculations. With this method transitions related to the ground states of the QW involving both the heavy and light holes states can be detected. Also, the excited states can be identified. As a main condition, it has been shown that only bound-to-bound transitions having the same parity can generate a step in the spectra. This method has been employed to investigate the band states of dilute nitrides SQWs. In particular, the effect of varying nitrogen and indium content on the practical band offsets of InxGa1-xAs1-yNy /GaAs SQW samples has been analysed. As a main result, it has been found that with increasing nitrogen content, the conduction band offset strongly increases (with a rate of about 100 meV / [N]), while the valence band offset is almost unchanged. Moreover, with increasing indium concentration both the conduction and the valence band offsets are modified. In particular, the conduction band offset varies with indium content as in the case of N-free samples. These results represent the first quantitative analysis which directly, i.e. independently of any model, determines the band offsets in dilute nitrides quantum wells. More importantly, it allows to analyse the effect of nitrogen and indium on the conduction and valence band states separately. The practical band offsets are highly important parameters in the design of many devices. Therefore, in the end of this thesis, it has been shown that the SPV method can be employed to determine the practical band offsets of real device structures. In particular, the practical conduction and valence band offsets of lasers emitting at 1.3 µm and 1.5 µm have been determined from the SPV spectra

Epitaxie metastabiler III-NAs/NP Mischkristallsysteme und Untersuchung der optischen und strukturellen Eigenschaften

Die Beschäftigung mit der neuartigen Klasse stickstoffhaltiger, metastabiler Materialsysteme eröffnet ein weites Feld, sowohl für die grundlegende Forschung, als auch für die industrielle Anwendung. Das Materialsystem (GaIn)(NAs) birgt — aufgrund des starken Bowings der Bandlückenenergie als Funktion der Stickstoffkonzentration — immense Vorteile im Einsatz als aktives Medium in langwelligen, oberflächenemitierenden Lasern. Dieses ermöglicht auch die Realisation höchsteffektiver Mehrschicht-Solarzellenstrukturen mit theoretischen Rekord-Wirkungsgraden. Darüberhinaus verspricht man sich niedrige Einsatzspannungen bei HBT’s, verwendet man (GaIn)(NAs) als Materialsystem für die Basis derartiger Bauelemente. Von grundlegendem Interesse ist das Einbauverhalten von Stickstoff und die damit korrelierten Effekte auf struktureller und elektronischer Seite. Die eingehenden Untersuchungen GaAs-basierender Strukturen wurden hier vertieft und auf GaP-basierende Strukturen erweitert und die Eigenschaften verglichen. Bei der Untersuchung GaP basierender Strukturen liegt ein weiterer Reiz in der Bandstrukturmodifikation. Da GaP ein indirekter Halbleiter ist, war nun die Motivation, durch geschickte Heteroepitaxie Filme mit direkter Bandlücke zu erzeugen, was ein immenses Anwendungpotential aufschließen würde. Hierbei sei an die Integration von Optoelektronik und Silizium basierender Elektronik gedacht. Im Rahmen dieser Arbeit werden einige fundamentale Aspekte von III/(NV)-Heterostrukturen vorgestellt, im Hinblick auf obige Motivationen diskutiert und in ersten Experimenten verifiziert

Magnetische Halbleiterhybridstrukturen für die Optoelektronik: Herstellung (MOVPE) und physikalische Eigenschaften

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Halbleitermaterial für zukünftige Entwicklungen in der Spinelektronik herzustellen. Die Spintronik (zusammengesetzt aus Spin-Elektronik) erweitert dabei die Elektronik, indem mit der Spinorientierung eine weitere Eigenschaft der Elektronen neben der Ladung genutzt wird. Eine wesentliche Forderung dabei ist die Entwicklung eines Halbleitermaterials mit bei Raumtemperatur nutzbarem Ferromagnetismus, kombiniert mit n-Typ Ladungsträgertransport, das sich gut in bestehende (opto-)elektronische Bauelemente/Prozesse integrieren läßt. In dieser Arbeit kann die erfolgreiche Realisierung dieser Ziele durch die Herstellung von Mn(Ga)As-Cluster-Hybridschichten und deren Integration in erste Bauelementstrukturen bereits gezeigt werden. Zudem werden die erzielten strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften detailliert charakterisiert. Damit ist die Basis geschaffen, dieses Material für zukünftige Untersuchungen und Entwicklungen der Spintronik einzusetzen. Die Herstellung von Mn(Ga)As-Cluster-Hybridschichten stellt für die MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie) ein neues Materialsystem dar. Die grundlegenden Wachstumsuntersuchungen zeigen drei sehr unterschiedliche Wachstumsbereiche in Abhängigkeit von Substrattemperatur und Mn-Angebot. Für kleine Mn-Konzentrationen bei einem nominellen Mn/Ga-Verhältnis in der Gasphase von 0,5% ergibt sich im untersuchten Temperaturbereich von 400°C bis 600°C eine p-Dotierung durch den Einbau von Mn-Akzeptoren in die GaAs:Mn-Matrix. Wird das Mn-Angebot erhöht, ergeben sich in Abhängigkeit von der Wachstumstemperatur zwei Wachstumsbereiche mit deutlichen strukturellen Veränderungen. Für Temperaturen unterhalb von 500°C erfolgt der Übergang zum Whiskerwachstum. Oberhalb von 500°C beginnt das für diese Arbeit angestrebte Clusterwachstum. Dabei wird die unter diesen Wachstumsbedingungen in GaAs bestehende Mn-Löslichkeitsgrenze von 4*10^19 Mn-Atome/cm^3 genutzt, um zunächst durch Segregation Mn auf der Schicht zu kumulieren. Bereits während des Wachstums dieser Schicht wird die folgende Separation in Mn(Ga)As-Cluster und einer GaAs:Mn-Matrix genutzt, um das Hybridsystem zu erzielen Mittels HR-TEM (hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie) wird die erzielte und keinesfalls selbstverständliche defekt-freie Integration dieser Cluster in die umgebende GaAs:Mn-Matrix aufgezeigt. Die durch die definierten Epitaxiebeziehungen zunächst vorgegebene Gitterfehlanpassung wird dabei durch ein Koinzidenzgitter extrem reduziert. EDX-Untersuchungen im TEM zeigen, daß die Cluster neben Mn und As auch 13 % Ga enthalten. Temperaturabhängige Remanenzmessungen ergeben in den Proben eine Curie-Temperatur von 335 K. Dies ist oberhalb des Wertes für MnAs und kann auf eine Kombination aus dem Ga-Einbau und der Verzerrung als Folge der Integration in die GaAs:Mn-Matrix zurückgeführt werden. Dabei werden bei 300 K noch bis zu 67 % der remanenten Magnetisierung bei 5 K erreicht. Der über die Epitaxiebeziehungen definierte Einbau der Cluster in die GaAs:Mn-Matrix führt zu anisotropen magnetischen Eigenschaften. Mit der Zusammenführung der Ergebnisse aus den strukturellen und magnetischen Untersuchungen wird die Verbindung zur magnetischen Kristallanisotropie von MnAs hergestellt. Durch die Wahl des TBAs-Partialdrucks (und der damit erzielten As-Oberflächenbedingungen) wird die leichte Magnetisierungsrichtung des Cluster-Hybridsystems entlang der Vorzugsrichtungen [011]GaAs oder [0-11]GaAs gesteuert. Die elektrischen Eigenschaften werden zunächst vor allem durch den Einbau des Mn-Akzeptors in die GaAs:Mn-Matrix und dem damit verbundenen p-Typ Ladungsträgertransport bestimmt. Der durch die Löslichkeitsgrenze beschränkte Mn-Einbau führt dabei zu Konzentrationen elektrisch aktiver Akzeptoren der Größenordnung 10^18 Mn-Atome/cm3 bei Raumtemperatur. Durch Co-Dotierung mit Te läßt sich diese p-Leitung zunächst kompensieren und anschließend in n-Typ Transporteigenschaften umwandeln. Die Eignung dieser Schichten wird durch den erfolgreichen Einbau in den n-Bereich eines Laser-Bauelementes belegt. Für moderne Halbleiterbauelemente sind Multischichtstrukturen unverzichtbar. Daher ist für die Cluster-Hybridschichten die Möglichkeit zum Überwachsen von elementarer Bedeutung. Experimente belegen die Eignung von AlAs zum Abdecken und Einbetten der Hybridschichten. Ein Wachstumsmodell wird entwickelt, das die Abläufe und Unterschiede zwischen dem Überwachsen mit GaAs und AlAs beschreibt. Durch Vergleichsexperimente mit GaInAs und EDX-Untersuchungen im TEM auf Nanometerskala werden die für das unterschiedliche Überwachsverhalten verantwortlichen Prozesse aufgedeckt und das Modell verifiziert. Zusätzlich wird daraus ein allgemeines Modell für das Clusterwachstum in diesen Hybridschichten entwickelt. Vielversprechend ist auch die Möglichkeit, durch den Einsatz von oxidiertem AlAs als Isolatorschicht den Strompfad gezielt durch die Cluster einzustellen

Elektronenmikroskopische Untersuchungen zur quantitativen Analyse N-haltiger III/V-Halbleiterheterostrukturen

Das Verständnis der Struktur und der Morphologie von N-haltigen GaAs-basierenden Materialsystemen baut auf der erfolgreichen Anwendungen verschiedener neuartiger transmissionselektronenmikroskopischer Studien (TEM-Studien) in Kombination mit unterschiedlichen theoretischen Modellierungen auf. Daher ist das Ziel der hier vorgestellten Arbeit, neue Methoden zur Nano-Material-Analyse N-haltiger III/V-Halbleiterheterostrukturen auf GaAs-Basis zu entwickeln und anzuwenden. Damit wird die Basis für das Verständnis unterschiedlicher Charakteristika der sowohl für die grundlegende Forschung als auch für die industrielle Anwendung so wichtigen, neuartigen Klasse N-haltiger, metastabiler Materialsysteme gelegt. Ein wichtiger Schritt zur Quantifizierung von hochaufgelösten TEM-Bildern (HRTEM) war die Optimierung der TEM-Probenpräparation für vergleichsweise hartes, N-haltiges Material. Zu diesem Zweck wurde eine neue Methode entwickelt, welche mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) die Bestimmung der Probenqualität und darüber hinaus die Messung der Probenrelaxation verspannter Materialsysteme für dünne Probenbereiche (t = 20nm) erlaubt. Finite Element-Simulationen (FE-Simulationen) zur Beschreibungen der Probenrelaxation wurden eingeführt und damit nachgewiesen, dass die konventionell benutzten elastischen Konstanten für verdünnt N-haltiges Material das richtige Resultat für dünne Proben liefern. Des Weiteren wurden verschiedene Dunkelfeldtechniken (DFTEM) zur Detektion von Stickstoff im Querschnittsprofil ternärer und quaternärer Materialien Ga(NAs) und (GaIn)(NAs) eingeführt. Um die Ergebnisse theoretisch zu untermauern, wurde ein Valence Force Field (VFF) Code entwickelt, welcher die Berechnung stabiler N-Konfigurationen im Kristall erlaubte und damit wichtige Erkenntnisse über die Materialverteilung in N-haltigen Materialien in thermisch ausgeheizten (annealed) und unbehandelten (as grown) Proben lieferte. Zur Quantifizierung der N-haltigen Materialsysteme wurde der im Programmpaket DALI (Digital Analysis of Lattice Images) implementierte Auswertalgorithmus CELFA (Composition Evaluation of Lattice Fringe Analysis) benutzt. Das Auswerteverfahren bedient sich jedoch Strukturfaktoren, welche von Doyle und Turner in der Näherung isolierter Atome bestimmt wurden. Dadurch wird die reale Elektronenverteilung im Festkörper vernachlässigt, was zu ungenaue Ergebnissen führt. Außerdem werden die Strukturfaktoren stark durch die lokale Atomanordnung im Festkörper beeinflusst. Daher wurden verfeinerte Strukturfaktorberechnungen für N-haltiges Ga(NAs) und (GaIn)(NAs) durchgeführt, die durch Einbeziehung der lokalen Atomanordnung in N-haltigem Material, zu einer genaueren absoluten Quantifizierung der vorgestellten Materialsysteme führt

Prognostic significance of DNA cytometry in cutaneous malignant lymphomas.

The current classification of cutaneous malignant lymphomas (ML) into low-grade and high-grade lymphomas was found to be of limited reproducibility and permitted only a rough prediction about outcome. With this in mind, the relationship between nuclear DNA content and both prognosis and histologic grading according to the Kiel classification was evaluated on Feulgen-stained imprint specimens. In all, 49 cases of malignant non-Hodgkin's lymphoma, primary of the skin or with an involvement of the skin as one of the first symptoms, were studied using a computerized high-resolution image analysis system. The 2c deviation index (2cDI), which reflects the variation of the nuclear DNA values around the normal diploid peak, was found to be the best prognostically relevant criterion. Using the 2cDI, a significant discrimination (P less than 0.001 in the U test) between low-grade and high-grade ML was achieved. The prognostic benefit of the 2cDI was well documented by a significant inverse correlation between the 2cDI and the period of time until the patients progressed at least into one higher stage or died of lymphoma (r equals -0.63, P less than 0.05). In addition, the 2cDI enabled prognosis of the course of disease. In the group with low 2cDI values (2cDI, less than 0.5), no progression of the disease was observed after 1 year. In the groups presenting with a 2cDI between 0.5 and 1.0 and higher than 1.0, a progression was found in 57% and 64% of the cases studied, respectively. In conclusion, these measurements indicate that the determination of DNA distribution patterns in imprint specimens allows a precise and objective prognostic evaluation of cutaneous ML

Semiconductor resonator solitons above band gap

We show experimentally the existence of bright and dark spatial solitons in semiconductor resonators for excitation above the band gap energy. These solitons can be switched on, both spontaneously and with address pulses, without the thermal delay found for solitons below the band gap which is unfavorable for applications. The differences between soliton properties above and below gap energy are discussed.Comment: 4 pages, 7 figure

COST Action IC 1402 ArVI: Runtime Verification Beyond Monitoring -- Activity Report of Working Group 1

This report presents the activities of the first working group of the COST Action ArVI, Runtime Verification beyond Monitoring. The report aims to provide an overview of some of the major core aspects involved in Runtime Verification. Runtime Verification is the field of research dedicated to the analysis of system executions. It is often seen as a discipline that studies how a system run satisfies or violates correctness properties. The report exposes a taxonomy of Runtime Verification (RV) presenting the terminology involved with the main concepts of the field. The report also develops the concept of instrumentation, the various ways to instrument systems, and the fundamental role of instrumentation in designing an RV framework. We also discuss how RV interplays with other verification techniques such as model-checking, deductive verification, model learning, testing, and runtime assertion checking. Finally, we propose challenges in monitoring quantitative and statistical data beyond detecting property violation