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An InGaAs quantum dot (QD) photodetector is directly grown on a silicon substrate. GaAs-on-Si virtual substrates with a defect density in the order of 106 cm−2 are fabricated by using strained-layer superlattice as dislocation filters. As a result of the high quality virtual substrate, fabrication of QD layer with good structural properties has been achieved, as evidenced by transmission electron microscopy and x-ray diffraction measurements. The InGaAs QD infrared photodetector is then fabricated on the GaAs-on-Si wafer substrate. Dual-band photoresponse is observed at 80 K with two response peaks around 6 and 15 μm. Engineering and Physical Sciences Research Council https://doi.org/10.13039/501100000266 Royal Academy of Engineering https://doi.org/10.13039/501100000287 National Science Foundation of the U.S.

Intersubband optical transitions at short wavelengths in strain-compensated In0.70Ga0.30As AlAs double quantum wells are investigated by means of mid-infrared absorption. Trade-offs between achieving a high transition energy and a large oscillator strength of the two highest-energy intersubband transitions using our strain-compensation approach are analyzed as a function of the widths of the two wells. Two design strategies leading to relatively strong intersubband optical transitions at 800 meV, 1.55 µm, are described and the corresponding structures grown using gas-source molecular-beam epitaxy on (001)InP are investigated. The strongest intersubband transitions obtained experimentally are generally between 300 and 600 meV, 2 4 µm. Significant oscillator strength, however, also extends out to 800 meV, 1.55 µm.

Das Wachstum von monolagen dünnen Schichten von InN und GaN/InN auf ZnO wurde untersucht. Ebenso der Einfluss der Verspannung, welche durch das Substrat bedingt ist, auf den Indiumgehalt von (In, Ga)N Heterostrukturen, welche auf GaN und ZnO gewachsen wurden. Alle Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxy gewachsen. Es wurde eine Prozedur entwickelt zum Glühen von ZnO Substraten, um glatte Oberflächen mit Stufenfluss-Morphologie zu erhalten, welche sich für das Wachstum von monolage-dünnen Heterostrukturen eignen. Solche Zn-ZnO und O-ZnO Oberflächen konnten produziert werden, wenn die Proben bei 1050 °C in einer O2 Atmosphäre bei 1 bar für eine Stunde geglüht wurden. Reflection high energy electron diffraction wurde eingesetzt, um in situ den Wachstumsmodus und die Entwicklung des a-Gitterabstandes zu untersuchen. Die kritische Schichtdicke, ab welcher ein Übergang im Wachstumsmodus von glattem zu rauhem Wachstum statt findet, war für das Wachstum von InN auf ZnO geringer als 2 ML und setzt gemeinsam mit dem Beginn der Relaxation ein. Für das Wachstum von GaN auf monolagen-dünnem InN/ZnO konnte gezeigt werden, dass höchstens wenige ML abgeschieden werden können, bevor Relaxation eintritt und/oder eine Vermischung zu (In, Ga)N stattfindet. Untersuchungen durch Röntgenbeugung und Raman Spektroskopie geben Hinweise darauf, dass das Abscheidung der nominalen Struktur 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) vermutlich zum Wachstum von (In, Ga)N führte. Die chemische Zusammensetzung war für alle Proben sehr ähnlich mit einem indium Gehält von etwa x: 0.36 und einem Relaxationsgrad von 65% - 73% für Proben, die auf ZnO gewachsen wurde und 95% für Wachstum auf 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN. Ein unbeabsichtigter Unterschied im V/III-Verhältnis während des Wachstums von (In, Ga)N Heterostrukturen, auf welchen die Anwesenheit von Metalltröpchen auf manchen Proben hinwies, lies auf einen möglichen Einfluss auf das Relaxationsverhalten und die Oberflächenrauhigkeit schließen., Several thin InN and GaN/InN films and (In, Ga)N heterostructures were grown using molecular beam epitaxy to investigate their growth mode. InN and GaN/InN films were grown on ZnO substrates and (In, Ga)N heterostructures were grown on (In, Ga)N buffers and ZnO substrates. Fabricating the heterostructures on two different types of substrates was a means of strain engineering to possibly increase the indium content in the (In, Ga)N layers. An annealing procedure was established to treat ZnO substrate to gain smooth, stepped surfaces suitable for ML thin heterostructure devices. Reflection high energy electron diffraction was used to investigate in situ the growth mechanism and evolution of the a-lattice spacing. The critical layer thickness for growth mode transition of InN from smooth to rough is below 2 MLs and fairly coincides with the onset of main relaxation. The deposition of GaN on ML thin InN/ZnO shows that at best a few MLs can be deposited before relaxation and/or intermixing into (In, GaN) takes place. Investigations by X-ray diffraction and Raman spectroscopy indicate that the deposition of a nominal structure of 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) seems to result in the growth of (In, Ga)N instead. The average chemical composition was similar for all samples with an indium content close to x: 0.36 and a degree of relaxation between 65%-73% for samples grown on ZnO and 95% for the sample grown on 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN pseudo-substrate. The surface was probed with atomic force microscopy and showed that starting with smooth surfaces with root mean square roughness around 0.2 nm there was a considerable roughening during growth and surfaces with grain like morphology and a roughness around 2 to 3 nm was produced. Unintentional differences in V/III ratio during growth of (In, Ga)N heterostructures, indicated by the presence of droplets on some of the sample surfaces, were possible, impacting on the sample relaxation behavior and the surface roughness.

In der vorliegende Arbeit wird die Technik des Trockenätzen in Bezug auf der Herstellung von aus InP basierten Quantenkaskadenlasern untersucht. In einem ersten Kapitel werden die Prinzipien des Ätzmechanismus sowie der dafür verwendete Instrumente erläutert. Es folgt ein Kapitel mit der Beschreibung der durchgeführten Experimenten und der Verknüpfung der Ergebnissen mit den theoretischen Voraussagen; schließlich wird ein möglicher Herstellungprozess aus den optimalen Werten der untersuchten Parametern zusammengestellt. Kennzeichen des Herstellungprozesses sind ein relativ niedriger Druck von 3 microbar in dem Plasmareaktor, die Nutzung eines aus Methan, Argon und Wasserstoff bestehendes Plasmas im ungefähren Druckverhältnis von 0.2:0.03:0.77 und das Befestigen der Probe auf einer Quartzplatte durch thermisch leitfähigen Klebstoff. In einer ersten Phase wird das InP-Substrat mit der oben genannten Rezept trocken geätzt, folglich wird das Al-enthaltenden laseraktiven Medium nass geätzt und als letzter Schritt folgt trockenätzen der unterliegendes InP-Substrates. Auf dieser Weise konnte eine Laserstruktur erreichender Qualität erzeugt werden, mit senkrechte Seitenwänden und einen hohen Maß an Selektivität. Während der Erfolg des Rezeptes in der Aufbau eines Lasers noch nicht bestätigt ist, wurde sie erfolgreich in der Anfertigung von Gitter mit verteilter Rückkopplung angewendet. The present work investigates the technique of dry etching applied to the processing of InP-based quantum cascade lasers. In a first chapter, the working principles of the etching mechanism and of the used instruments are explained. The second chapter is concerned with the description of experimental details and with linking the results to the theoretical framework; finally, a possible approach for the fabrication of laser structures is described. The main features of this procedure are a relatively low pressure of 3 microbar in the plasma reactor, the usage of a methane, argon and hydrogen composed plasma with partial pressure ratio of 0.2:0.03:0.77 and the fixing of the specimen to a quartz plate with thermally conductive paste. In a first phase, the InP-substrate is dry etched with the recipe mentioned above; successively, the Al-containing active region is wet etched, and a last dry etching step is performed to etch into the underlying InP-substrate. In this way, a laser structure of decent quality could be obtained, with vertical sidewalls and a good degree of selectivity. While the success of such recipe in the process of a laser is still not confirmed, the latter was successfully applied to the manufacturing of distributed feedback gratings.

The epitaxial integration of highly heterogeneous material systems with silicon (Si) is a central topic in (opto-)electronics owing to device applications. InP could open new avenues for the realization of novel devices such as high-mobility transistors in next-generation CMOS or efficient lasers in Si photonics circuitry. However, the InP/Si heteroepitaxy is highly challenging due to the lattice (∼8%), thermal expansion mismatch (∼84%), and the different lattice symmetries. Here, we demonstrate the growth of InP nanocrystals showing high structural quality and excellent optoelectronic properties on Si. Our CMOS-compatible innovative approach exploits the selective epitaxy of InP nanocrystals on Si nanometric seeds obtained by the opening of lattice-arranged Si nanotips embedded in a SiO2 matrix. A graphene/InP/Si-tip heterostructure was realized on obtained materials, revealing rectifying behavior and promising photodetection. This work presents a significant advance toward the monolithic integration of graphene/III-V based hybrid devices onto the mainstream Si technology platform.