Die Entwicklung der Gruppe III-Nitride hat eine neue Ära in der Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik eingeleitet. Unter anderem durch den Übergang zu regenerativen Energiequellen und zur Elektromobilitiät werden effizientere, kompaktere und wirtschaftlichere Energiewandlungssysteme benötigt. Das große Potenzial der GaN-Leistungselektronik wird durch eine hohe Baliga Figure of Merit eindrucksvoll belegt.Aktuelles Arbeitspferd ist der laterale AlGaN/GaN-HFET, der bis 600 V kommerzialisiert ist. Im Allgemeinen wird jedoch eine vertikale Bauelementgeometrie aufgrund signifikanter Skalierungsvorteile und verbesserter Isolationseigenschaften bevorzugt. Elektrische Feldstärkespitzen liegen im Volumen, wodurch vertikale Bauelemente weniger anfällig für oberflächenbedingte Durchschläge und parasitäre Effekte wie Current Collapse sind. Vertikale Leistungsbauelemente sind auf 3D-Feldformungs- und Stromführungsstrukturen (Heterostrukturen) angewiesen, um niedrige Leckströme und hohe Durchbruchspannungen zu gewährleisten. Da Dotierstoff-Implantation und -Diffusion in GaN nicht einsetzbar sind, werden Selective-Area Growth (SAG)-Prozesse benötigt. SAG hat bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt, der technologische Reifegrad ist für eine Kommerzialisierung jedoch nicht ausreichend. Problematisch ist die nicht optimale Materialqualität, insbesondere in Bezug auf Kristalldefekte und defektreiche Grenzflächen. Neben den hohen Kosten von nativen GaN-Substraten verhindern mangelnde Kenntnisse von Mikrostruktur und Defekteigenschaften sowie unausgereifte Herstellungsprozesse die Entwicklung konkurrenzfähiger vertikaler GaN-Bauelemente.In diesem Projekt wird eine systematische Analyse von Wachstums- und Prozess-bedingten Defekten und der mikroskopischen Eigenschaften von p-n-Übergängen und Heteroübergängen durchgeführt. Die Compound Semiconductor Technology (CST, RWTH Aachen) wird SAG-Prozesse einsetzen, um planare und vertikale p-n-Übergänge und Heteroübergänge in spezifischen Teststrukturen zu implementieren. Die Halbleiterphysik (OvGU Magdeburg) wird auf dieser Basis detaillierte mikro- und nanoskopische Studien mittels (Raster-)Transmissions-elektronenmikroskopie ((S)TEM), Kathodolumineszenz (STEM-CL)-Spektroskopie, "elektronen-strahlinduziertem Strom" (STEM-EBIC)-Messungen sowie Time-of-Flight-Analysen durchführen, um Defekte zu identifizieren, Ladungsträger- und Exzitonentransport/-dynamik zu charakterisieren und diese mit elektrischen Daten und Wachstums-/Prozessbedingungen zu verknüpfen. Dies, ergänzt durch physikalische Modellierung, wird ein tieferes Verständnis der Auswirkungen von Defekten und Prozessen auf die makroskopischen Material-, Grenzflächen- und Bauelementeigenschaften erlauben und zu neuen Strategien zur Herstellung von Leistungsbauelementen führen. Schließlich werden verbesserte Junction-Barrier-Schottky-Dioden (JBS), Vertical-Channel-Junction-FET (vc-JFET) oder Current-Aperture-Vertical-Electron-Transistoren (CAVET) demonstriert.

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Als zentrale Fragestellung wird die Elektron-Phonon Wechselwirkung, hauptsächlich in Nitrid-Einzelquanten-punkten, untersucht.Dazu werden nanoskopische Methoden wie spitzenverstärkte Ramanspektroskopie, Kathodolumineszenz-Spekroskopie imTransmissionselektronenmikroskop, örtlich- und zeitaufgelöste Photo- und Kathodolumineszenzspektroskopie in Verbindung mitKreuz- und Autokorrelation Experimenten ausgenutzt. Diese einmalige Kombination von hochentwickelten spektroskopischenMethoden ermöglicht es uns, die Elektron-Phonon Wechselwirkung mit einer örtlichen Auflösung besser als 20 nm (5 nm)nachzuweisen. Als Anwendungspotenzial werden Nitrid-Raumtemperatur-Einzelphotonenemitter und Laser im ultravioletten
Spektralgebiet charakterisiert.

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Ziel des integrierten Graduiertenkollegs (iGRK) "School of Nanophotonics" des Sonderforschungsbereichs SFB 787 ist, dieEntwicklung junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zu fördern. Der SFB 787 bietet einerseits mit den exzellenten Forschungsprojekten eine passende Umgebung, um eine tiefgehende fachliche Ausbildung der Doktorandinnen undDoktoranden zu gewährleisten, andererseits bietet das iGRK eine Struktur für überfachliche Angebote zur professionellenWeiterbildung. Das iGRK fördert die wissenschaftliche Unabhängigkeit und internationale Sichtbarkeit seiner Mitglieder sowie den wissenschaftlichen Austausch untereinander.

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Im Fokus dieses Teilprojektes stehen blau und UV emittierende GaN-basierte VCSEL-Strukturen. Mit einer analogenepitaktischen Schichtfolge können durch Adaption des photonic crystal bandgap (PBC) Konzepts hochbrillante Kantenlaserrealisiert werden. Insbesondere die große Bandlücke und hohe Exzitonenbindungs-energie in GaN eröffnen neue Perspektivenfür starke Licht-Materie-Kopplung, Polaritonen-Laser, Bose-Einstein-Kondensation und insbesondere Einzel- verschränktePhotonenemission bei Raumtemperatur. Die in GaAs bereits erfolgreich realisierten Konzepte sollen auf die breitbandigen Gruppe-III-Nitride übertragen werden.

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Das vorgestellte Projekt hat zum Ziel, die Mikrostruktur in dünnen Schichten des Chalkopyrithalbleiters Cu(In,Ga)Se2aufzuklären und ein Mikrostrukturmodell aufzustellen. Das Mikrostrukturmodell beschreibt die lokalen optoelektronischen Eigenschaften dieses Verbindungshalbleiters, der durch einen hohen Unordnungsgrad charakterisiert ist. Das Mikrostrukturmodell soll verifiziert werden, indem die Ergebnisse im Rahmen des Projektes durchgeführter orts-zeit-spektralaufgelöste Lumineszenzexperimente sowie Ladungstransportexperimente mit der Methode der Finiten-Elemente simuliert werden. Durch die Kombination von Experiment und Simulation soll die Beeinflussung des Ladungsträgertransports durch den Unordnungsgrad des Mischsystems Cu(In,Ga)Se2 eingehend erforscht werden. Die Arbeiten zum Einfluss von Unordnung sind grundlegender Natur und lassen sich auf andere Materialsysteme übertragen.

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Im Fokus dieses Teilprojektes stehen blau und UV emittierende GaN-basierte VCSEL-Strukturen. Mit einer analogen epitaktischen Schichtfolge können durch Adaption des „photonic crystal bandgap“ (PBC) Konzepts hochbrillante Kantenlaser realisiert werden. Insbesondere die große Bandlücke und hohe Exzitonenbindungsenergie in GaN eröffnen neue Perspektiven für starke Licht-Materie-Kopplung, Polaritonen-Laser, Bose-Einstein-Kondensation und insbesondere Einzel- verschränkte Photonenemission bei Raumtemperatur. Die in GaAs bereits erfolgreich realisierten Konzepte sollen auf die breitbandigen Gruppe-III-Nitride übertragen werden.

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The objective of this proposal is to investigate the fundamentals of nonpolar and semipolar GaN growth with the aim of understanding the mechanisms governing defect formation and impurity incorporation as well as processes responsible for radiative recombination. Insight into mechanisms responsible for the defect formation will make it possible to elaborate approaches for reducing defect density and produce the high-optical-quality material for light-emitting diodes and laser diodes with enhanced brightness. The lack of polarization in nonpolar GaN and substantially reduced polarization in semipolar GaN will allow higher recombination efficiencies and eliminate the dependence of emission energy on injection level. The choice of Si and sapphire substrates is motivated by their high quality and wide availability, particularly in the context of cost cutting practices in high brightness LEDs for lighting applications. A multiinstitutional/multidisciplinary program bringing together unique expertise in growth, based at Virginia Commonwealth University, extensive capabilities of precision optical measurements at University of Magdeburg (Germany), and demonstrated experience in theoretical modeling based at University of Montpellier 2 (France) is proposed for understanding the synthesis and properties of transformative nonpolar and semipolar nitride semiconductor structures.

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For a detailed understanding of complex semiconductor heterostructures and the physics of devices based on them, a systematic determination and correlation of the structural, chemical, electronic, and optical properties on a micro- or nano-scale is mandatory. Luminescence techniques belong to the most sensitive, non-destructive methods of semiconductor research, and the combination of time-resolved luminescence spectroscopy with the high spatial resolution of a scanning electron microscope, as realized by the technique of cathodoluminescence microscopy, provides a powerful tool for the optical nano-characterization of semiconductors, their heterostructures as well as their interfaces. As part of the research group proposal “Polarization field control in nitride light emitters” we shall correlate the electronic and optical properties of non- and semipolar epitaxial nitride structures on a micro- and nano-scale with the crystalline real structure. Morphological defects like dislocations and – in particular in non-c-axis grown material – stacking faults and spontaneous and piezo-electric polarization fields are the major problems in group-III-nitrides. In ternary and quaternary alloys as well as in their hetero-structures nano-scale fluctuations of stoichiometry and/or interfaces have strong impact on the radiative recombination in light emitters. In close collaboration with the growth projects (UUlm, TUBs, OvG-D, and TUB) and perfectly complementing the experimental techniques by exchange with the TEM, µPL, and µEL project (URgb), we will address these problems.

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Die Herstellungskosten von Solarmodulen mit Absorbern aus Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIS) können durch eine schnellere Abscheidung des CIS-Absorbers und höhere Wirkungsgrade bei vereinfachter Prozessführung weiter gesenkt werden. Eine schnellere Herstellung des Absorbers ist vor allem durch die Kinetik der Bildung der Chalkopyritphase und ausreichend großer Körner limitiert. Beide Prozesse sind entscheidend von der Diffusion von Spezies während des Wachstums abhängig. Höchste Wirkungsgrade von CIS-Solarzellen sind mit einem dreistufigen Verdampfungsprozess zu erreichen. Hierbei bilden sich Gradienten im In/Ga-Verhältnis und eine kupferarme Oberflächenphase aus, die wahrscheinlich essentiell für hohe Wirkungsgrade sind. Die Oberfläche kann sich im Verlauf der Grenzflächenbildung mit dem Puffermaterial noch deutlich verändern. Entscheidend hierbei ist die Diffusion von Kupfer und möglicherweise die Interdiffusion zwischen Absorber und Puffermaterial. Das Gesamtziel des Projektes besteht darin, Gradienten der chemischen Zusammensetzung in CIS-Absorbern in Abhängigkeit der Schichtherstellung und der Ausbildung der Grenzfläche zum Puffermaterial zu analysieren. Darüber hinaus sollen die Ursachen chemischer Gradienten und die unmittelbar damit verbundene Diffusion von Spezies aufgeklärt werden. Andererseits sollen die Konsequenzen dieser Zusammenhänge für das Schichtwachstum, die elektronischen Eigenschaften des Absorbers und Auswirkung auf die Effizienz der Solarzellen verstanden werden. Hieraus werden Strategien zur schnelleren Herstellung von CIS-Absorbern sowie zur effizienten Herstellung von Pufferschichten entwickelt und die damit verbundenen Erkenntnisse der zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge Produzenten von CIS-Solarmodulen im Rahmen von Industrieworkshops zur Verfügung gestellt werden.

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Teilvorhaben: "Mikro-optische und strukturelle Charakterisierung von GaN-auf-Silizium Strukturen und HVPE Wachstum von GaN-auf-Silizium"
Die Arbeiten an der Otto-von-Guericke-Universität beinhalten drei wesentliche Arbeitspakete, welche von 2 Arbeitsgruppen (Prof. Krost, Prof. Christen) gemeinsam bearbeitet werden sollen: Einerseits wird Expertise und Methodik umfangreicher, im Detail aufeinander abgestimmter und sich gegenseitig ergänzender Charkterisierungsmethoden eingebracht, die zugleich auch allen Partnern zur Verfügung gestellt wird. Dies beinhaltet zum einen die detaillierte strukturelle Schicht-charakterisierung mittels röntgenographischer Verfahren wie beispielsweise hochauflösende XRD, grazing incidence diffraction, tiefenaufgelöste Röntgenbeugung, Reflektometrie, wafer-mapping,
hoch-ortsaufgelöste XRD (dx < 1µm), reciprocal space mapping, u.a.. Hierzu stehen neun speziell ausgerüstete Röntgensysteme zur Verfügung (Arbeitsgruppe Krost). Zum anderen werden diese komplenentär ergänzt optische und insbesondere hochortsaufgelöster optische Methoden wie spektral-ortsaufgelöste Raster-µ-Elektrolumineszenz (dx < 1 µm), spektral-ortsaufgelöste Raster- Photolumineszenz (µ-PL: dx < 500 nm, PL-wafer-mapping: 6-Zoll wafer), spektral-orts-zeit-aufgelöste
Kathodolumineszenz (dt < 35 ps, dx < 45nm), (Arbeitsgruppe Christen).

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Ziel des im SFB 787 integrierten Graduiertenkollegs Halbleiter-Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente ist die besondere Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses durch Kombination der exzellenten Forschungsmöglichkeiten im Rahmen des SFBs mit einer vertieften wissenschaftlichen Ausbildung und strukturierten Promotionsförderung. Das mehrgliedrige Qualifizierungskonzept beruht auf Interdisziplinarität, intensiver Einführung und kontinuierlicher Weiterbildung, Vermittlung von Teamfähigkeit und Schlüsselqualifikationen sowie engen Industriekooperation und nutzt Synergien von Hochschule und externen Forschungseinrichtungen.

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Das quaternäre chalkopyridische Halbleitermischsystem Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIS) bildet die Grundlage für die derzeit effizientesten Dünnschicht-Solarzellen mit einem Laborwirkungsgrad um 20 %. Die Produktion von CIS-Solarmodulen im industriellen Maßstab erlangt zunehmende ökonomische Bedeutung. Die effiziente und reproduzierbare Nutzung eines Materials für die Massenproduktion von elektronischen Bauelementen hängt jedoch direkt von der verfügbaren Wissensbasis über dessen strukturelle, chemische und elektronische Eigenschaften ab. Die Arbeiten beinhalten Untersuchungen hinsichtlich der mikroskopischen Charakterisierung, insbesondere der höchst-ortsaufgelösten Analyse der optischen Eigenschaften der CIS-Schichten: Kathodolumineszenz, EBIC/EBIC, µ-Photo-lumineszenz und µ-Elektrolumineszenz sowie LBIC.

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Es soll der laterale Transport in Oxid-Heterostrukturen untersucht werden. Durch Korrelation der aus elektrischen Kennlinienfeldern bestimmten Parameter mit mikroskopischen Transporteigenschaften auf µm- (Mikro-Photolumineszenz) und nm- (Katho­do­lumineszenz) Längenskala soll ein konsistentes Ver­ständnis der elektronischen sowie der ambipolaren Transportmechanismen erarbeitet werden. Die charakteristischen Temperatur- und Energieabhängigkeiten ergeben Aufschluss über die zu Grunde liegenden Streumechanismen. Die Transport-Eigen­schaf­ten sollen auf strukturelle (ideale und nicht-ideale) Eigenschaften der Gate-Hetero­struktur und ihrer Grenzfläche, des Kanals und seiner Grenzflächen sowie das Banddiagramm, eingebaute Ver­spannun­gen und Punktdefekte (Dotierung und Defekte) zurückgeführt werden. Die Prototyp-Struktur für die geplanten Untersuchungen ist ein Feldeffekt-Transistor mit isolierendem Gate (MISFET). Der Leitungskanal soll aus ZnO sowie ZnO-basierten Hetero­strukturen in verschiedener kristallographischer Orien­tie­rung, d.h. mit verschiedener Orien­tierung der spontanen Polarisation, bestehen. Neben dem sich an der/den Hetero-Grenz­fläche(n) ausbildenden zwei-dimen­sio­nalen Elektronengas (2DEG) ist die unter dem Gate ver­gra­bene ZnO-Oberfläche selbst ebenfalls von Interesse, da diese, abhängig von ihrer Vor­ge­schichte (Temperatur, Gasatmosphäre), auch einen leitfähigen Kanal darstellen kann. Als Gate-Material sollen verschiedene Oxide ohne elektrische Polarisation (z.B. Al­2O3­), mit spontaner Polari­sa­tion (z.B. MgxZn1-xO) sowie schaltbarer Polarisation (z.B. BaTiO3) untersucht werden. Perspektivisch sollen als Kanalmaterial auch ferromagnetische, halbleitende Oxide eingesetzt werden, um eine grenzflächenbestimmte Struktur mit schaltbaren und gekoppelten ferromagnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften zu erhalten.

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Ziel der ersten Periode ist das Wachstum von riss- und spannungsfreien InAIN/AlGaN VCSEL-Strukturen. Ausgehend von einem Gruppe-III-basierten unteren und einem Oxidbasierten oberen Bragg-Spiegel soll zunächst ein (InGaN/GaN) MQW mit einem pn-Übergang und einer Tunnelbarriere hergestellt und getestet werden. Neben den grundlegenden Untersuchungen zur Photon-Exziton-Kopplung, dem Purcell-Effekt bzw. der Rabi-Aufspaltung und dem Ausmessen der Dispersion der Kavitäts-Polarisationen sowie deren Bose-Einstein-Kondensation bei Zimmertemperatur sollen hierauf basierende Bauelemente realisiert und charakterisiert werden. Die p-Dotierung hoch-aluminiumreicher AlInN- und AlGaN-Schichten soll untersucht werden, um anschließend auch den oberen Bragg-Spiegel auf Nitrid-Basis herzustellen. GaN-basierte Quantenpunkte für Einzelphotonenemitter sind herzustellen.

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Für ein umfassendes Verständnis komplexer Halbleiter-Heterostrukturen und der  zugrundeliegenden Physik ist eine systematische Analyse und Korrelation der strukturellen, chemischen, elektronischen und optischen Eigenschaften auf Mikro- bzw. Nanoskala zwingend erforderlich. Lumineszenzuntersuchungen gehören zu den empfindlichsten zerstörungungsfreien Methoden in der Halbleiterforschung. Die Kombination von zeitaufgelöster Spektroskopie mit der hohen Ortsauflösung des Raster-Elektronenmikroskops, wie es durch die Kathodolumineszenz-Mikroskopie realisiert wird, liefert ein potentes Instrumentarium für die optische Nanocharakterisierung von Halbleitern, Heterostrukturen und ihren inneren Grenzflächen. Als Teil des Gruppenantrages Polarisations-Feld-Kontrolle in Nitrid-Licht-Emittern werden wir die elektronischen und optischen Eigenschaften von nicht- bzw. semipolaren Gruppe-III-Nitrid-Strukturen auf Mikro- und Nanoskala mit der kristallinen Realstruktur korrelieren. Morphologische Defekte wie Versetzungen und insbesondere in nicht c-Achsen gewachsenem Material Stapelfehler sowie spontane und piezoelektrische Polarisationsfelder sind die Hauptprobleme in den Gruppe-III-Nitriden. In ternären und quaternären Verbindungen sowie deren Heterostrukturen haben Fluktuationen der Stoichiometrie und/oder Grenzflächen auf Nanometerskale einen entscheidenden Einfluss auf die strahlende Rekombination in Lichtemittern. In enger Zusammenarbeit mit den Epitaxieprojekten (UUlm, TUBs, OvG-D, and TUB) und in optimaler Ergänzung zu den anderen Charakterisierungsmethoden wie TEM, µPL, und µEL im Projekt des Partners URgb werden wir diese Problematik angehen.

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Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen und optischen Eigenschaften von GaN-Quasi-Substraten. Zwei Ansätze werden dabei verfolgt: Zum einen die Optimierung von HVPE Volumenschichten durch die Verwendung von GaN Niedertemperatur Pufferschichten im HVPE Prozess, zur Reduzierung der thermisch induzierten Verspannungen zwischen Substrat und Schicht. Zum anderen das laterale epitaktische Überwachsen von mit SiO2 strukturierten GaN Schichten mittels HVPE, welches zusätzlich eine Reduzierung der Versetzungsdichte bewirkt. Der mögliche Einbau von Störstellen aus den SiO2 Masken soll dabei bestimmt werden. Ebenso der Einfluss der reduzierten Versetzungsdichte auf die optischen Eigenschaften.

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Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung und Optimierung eines Chip-On-Board (COB) basierten Leuchtmoduls für die Außenbeleuchtung im Automobilbereich. Beginnend mit der Evaluation der Leuchtdiodenchips über die, die Prozessentwicklung und -optimierung begleitende Mikrocharakterisierung von Chip-Montage sowie Applikation des Lumineszenz-Konvertermaterials, bis hin zur Qualitätssicherung des kompletten COB+Converter-Packages soll ein optimierter Aufbau als Zwischenstufe für die anschließende Komplettierung mit einer monolithisch integrierten Primäroptik entwickelt werden.

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Projekt:"Störstellen und Grenzflächendefekte in auf GaN-basierenden Bauelementestrukturen,
untersucht mit elektrischen und photoelektrischen Spektroskopieverfahren"
In zunehmendem Maße verlagert sich die Forschung am Halbleitermaterial GaN auf die Integration des Materials in komplexe Schichtstrukturen. Mit diesen Bemühungen erlangen die Grenzflächen-eigenschaften und die Störstellenstruktur in den einzelnen Schichten eine wachsende Bedeutung. Ziel des vorgesehenen Projekts ist es, auf der Grundlage der bisher vorrangig mit der optischen Admittanzspektroskopie gewonnenen Erkenntnisse zu tiefen Störstellen in GaN-Schichten, elektrisch wirksame Defektzustände und Grenzflächendefekte in Heterostrukturen sowie deren Einfluß auf die Bauelementeeigenschaften nachzuweisen. Die Untersuchung der Grenzflächen erfolgt über die
Spannungs- und Frequenzabhängigkeit der Admittanzspektroskopie im auszubauenden Frequenz-bereich bis zu 30 MHz. Der Störstellennachweis wird vorrangig durch die optische Admittanz-spektroskopie in einem zu erweiternden Spektralbereich von 190nm bis 5µm durchgeführt. Als weitere Meßmethoden werden zusätzlich die thermische Admittanzspektroskopie und die DLTS eingesetzt. Der Einfluß von Defektzuständen auf die Bauelementeeigenschaften soll u.a. an Hand des Frequenzverhaltens, der Spannungsfestigkeit, der photoelektrischen Empfindlichkeit und dem
Auftreten von transienten Speichereffekten nachgewiesen werden.

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Das Halbleitermaterial GaN ist in das Zentrum des wissenschaftlichen und kommerziellen Interesses als Basismaterial für blaue LED- und Laserdioden gerückt. Besonders wichtig für die Eigenschaften dieses Materials, insbesondere für jegliche Bauelementeanwendungen, sind tiefe Störstellen. Ziel unserer Untersuchungen ist es, tiefe Störstellen in der Nähe der Gapmitte im GaN und in GaN-basierten Mischsystemen nachzuweisen und zu charakterisieren. Der Nachweis tiefer Störstellen erfolgt mittels Photokapazitätsmessungen und mit Hilfe der optischen Admittanzspektroskopie. Die gefundenen Störstellen sollen hinsichtlich ihrer optischen Übergangsenergien, ihrer Photoionisationsquerschnitte, sowie deren spektralen Abhängigkeit charakterisiert werden. Die Kinetik dieser Störstellen wird hinsichtlich ihres Umladungsverhaltens, bestehender Ladungs- und metastabiler Zustände, sowie hinsichtlich der Bedingungen zu deren Bildung und Vernichtung untersucht. Weitergehende Messungen erfolgen zudem an GaN-basierten Mischsystemen, wie AlGaN und InGaN und an darauf aufbauenden optoelektronischen Bauelementen.

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