many body effects in heavily doped gan - tu berlin · many body effects in heavily doped gan...

103
Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel geb. in Berlin von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften – Dr. rer. nat. – genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzende: Prof. Dr. Ulrike Woggon Gutachter: Prof. Dr. Axel Hoffmann Gutachter: Prof. Dr. Matthew Phillips Gutachter: Prof. Dr. Tadeusz Suski Gutachterin: Prof. Dr. Janina Maultzsch Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13.03.2017 Berlin 2017

Upload: ngodan

Post on 10-Apr-2019

222 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

ManybodyeffectsinheavilydopedGaN

vorgelegt von Diplom-Physiker

Marc Christian Siegfried Nenstiel geb. in Berlin

von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Naturwissenschaften – Dr. rer. nat. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss: Vorsitzende: Prof. Dr. Ulrike Woggon

Gutachter: Prof. Dr. Axel Hoffmann

Gutachter: Prof. Dr. Matthew Phillips

Gutachter: Prof. Dr. Tadeusz Suski

Gutachterin: Prof. Dr. Janina Maultzsch

Tag der wissenschaftlichen Aussprache:

13.03.2017

Berlin 2017

Page 2: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

 

  ii

Zusammenfassung 

In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden optischen Eigenschaften von hoch 

Germanium dotierten GaN Epischichten untersucht und diskutiert. Diese Arbeit  liefert 

neue  Erkenntnisse  über  Wechselwirkungen  von  Ladungsträgern  in  einem 

dreidimensionalen degenerierten Elektronengas.  

Der  erste  Teil  dieser  Doktorarbeit  befasst  sich  mit  Kompensationsmechanismen  in 

GaN:Ge  Proben  bis  in  den  Dotierungsbereich  von  1021 cm‐3.  Die  Kombination  von 

Halleffekt‐Messungen,  Sekundärionen‐Massenspektrometrie,  Ramanspektroskopie, 

sowie  temperaturabhängiger  und  zeitaufgelöster  Photolumineszenzspektroskopie 

veranschaulicht  den  Einfluß  von  Kompensationsmechanismen  auf  die  strukturellen, 

elektrischen und optischen Eigenschaften des Kristalls.  

Der zweite Teil dieser Doktorarbeit vergleicht Ge‐ und Si‐dotierte GaN Epischichten auf 

ihre    Kompensationseigenschaften.  Kompensationsarme  (GaN:Ge)  Proben  zeigen  im 

Vergleich  zu  kompensationsreichen  (GaN:Si)  neue,  bisher  unbekannte  bindende 

Vielteilchenwechselwirkungen  zwischen  einem  dreidimensionalem  Elektronengas  und 

Elektron‐Loch‐Paaren.  Diese  Vielteilchenwechselwirkung  führt  zur  Einführung    eines 

neuen  Quasiteilchens,  dem  Collexon.  Dabei  handelt  es  sich  um  einen  exzitonartigen 

Vielteilchenkomplex, der durch ein dreidimensionales Elektronengas stabilisiert wird. Je 

höher die Elektronengasdichte, desto stärker  ist die Stabilisierung des Collexons. Diese 

Stabilisierung  zeichnet  sich  durch  die  kleine  spektrale  Halbwertsbreite  (≈10 meV), 

Temperaturstabilität  bis  zu  100 K  und  Langlebigkeit  (≈250 ps)  aus.  Im  Gegensatz  zu 

anderen Vielteilchenkomplexen, wie z.B. Trionen und Biexzitonen, wird das Collexon nur 

in einer dreidimensionalen Struktur beobachtet, aber nicht in einer niederdimensionalen, 

wie Quantengräben oder Quantenpunkten.  Im Gegensatz  zum üblichen Verhalten von 

Lumineszenzen  solcher Vielteilchenkomplexe  in  stark  dotierten Halbleitern  nimmt  die 

Intensität  und  Lebenszeit  der  Lumineszenz  des  Collexons  mit  steigender 

Ladungsträgerkonzentration zu und die Halbwertsbreite ab, solange keine Kompensation 

eintritt.   

Page 3: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

 

iii

Abstract 

In  this work  the  fundamental optical  signatures of highly Germanium doped GaN  are 

investigated. This work  gives  fundamental new  insights  in  interactions of  carriers  in  a 

three dimensional degenerated electron gas. 

The first part of this thesis is dedicated to the investigation of compensation mechanisms 

in GaN samples with Germanium concentrations up to 1021 cm‐3. The combination of Hall 

effect measurements, secondary ion mass spectrometry (SIMS), Raman spectroscopy and 

temperature‐dependent and time‐resolved photoluminescence spectroscopy shows the 

influence of compensation mechanisms on the structural, electrical and optical properties 

of the crystal. 

In the second part of this doctoral thesis, Germanium doped GaN samples are examined, 

which do not show any compensation effects. This fact is illustrated through comparison 

with Silicon doped GaN samples, which were grown with the same growth conditions as 

the Germanium doped samples. By the means of photoluminescence spectroscopy a new 

quasi particle was discovered, the collexon. The collexon is an exciton‐like many‐particle 

complex,  which  is  stabilized  by  a  three  dimensional  electron  gas.  The  stabilization 

enhances with increasing electron gas density and is featured by small spectral half‐width 

(≈10 meV), temperature stability up to 100 K and longevity (≈250 ps). In contrast to other 

many‐particle complexes, e.g. trions and biexcitons, the collexon is observed in a three‐

dimensional structure and not in a low‐dimensional structure, such as quantum wells and 

quantum dots. Contradicting the common behavior of heavily doped semiconductors, the 

entire  emission  intensifies  and  its  decay  time  slows  towards  increasing  free  electron 

concentration,  while  the  collexonic  emission  narrows  spectrally,  as  long  as  no 

compensation occurs.  

   

Page 4: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

 

  iv

Contents

1  Introduction .................................................................................................................. 1 

1.1  Scope of thesis....................................................................................................... 2 

2  Theory ........................................................................................................................... 4 

2.1  Raman spectroscopy ............................................................................................. 4 

2.1.1  Lattice dynamics and phonons in wurzite crystals ........................................ 4 

2.1.2  Determination of strain values ...................................................................... 7 

2.1.3  Longitudinal optical phonon plasmon coupling ............................................ 8 

2.2  Deformation potentials of excitons .................................................................... 10 

2.3  Optical  and  electronic  properties  of  semiconductors  with  high  free  carrier 

concentrations ............................................................................................................... 12 

3  Experimental details ................................................................................................... 18 

3.1  Raman setup ........................................................................................................ 18 

3.2  Macro PL/PLE setup ............................................................................................ 18 

3.3  Micro PL/TRPL/PLE setup .................................................................................... 19 

4  Compensation in highly Germanium doped GaN ....................................................... 21 

4.1  Investigated samples ........................................................................................... 21 

4.2  Compensation mechanisms in doped semiconductors ...................................... 22 

4.3  Raman spectroscopy results ............................................................................... 24 

4.4  PL of compensated semiconductors ................................................................... 28 

4.5  Dynamics and time resolved analysis ................................................................. 33 

4.6  Discussion ............................................................................................................ 36 

5  Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN

  38 

5.1  Investigated samples ........................................................................................... 38 

5.2  Raman spectroscopy results ............................................................................... 39 

Page 5: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

 

v

5.2.1  Investigation  of  strain  and  crystalline  quality  by  the  means  of  Raman 

spectroscopy ............................................................................................................... 39 

5.2.2  Comparison of structural properties in Si and Ge doped GaN .................... 41 

5.3  Optical properties of uncompensated degenerated electron gas in GaN .......... 51 

5.3.1  Low temperature Photoluminescence spectroscopy .................................. 52 

5.3.2  Cross section and depth resolved cathodoluminescence ........................... 57 

5.3.3  Absorption deep defects .............................................................................. 59 

5.3.4  Dynamics and time resolved analysis .......................................................... 61 

5.3.5  Excitation channels ...................................................................................... 65 

5.3.6  Strain introduced shift ................................................................................. 68 

5.3.7  Excitation energy dependent photoluminescence and reflection .............. 70 

5.3.8  Thermalization ............................................................................................. 73 

5.4  Discussion ............................................................................................................ 74 

5.5  Theoretical model ............................................................................................... 78 

6  Summary ..................................................................................................................... 83 

7  Publications ................................................................................................................ 86 

8  Bibliography ................................................................................................................ 90 

9  Acknowledgement ...................................................................................................... 97 

 

Page 6: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen
Page 7: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

1 Introduction 

1

1 Introduction

GaN‐based electronic and optoelectronic devices have gained considerable interest in 

the  recent  years.  The wide band  gap,  superior  structural  and  thermal  stability, high 

breakdown  electrical  field  and  high  saturation  drift  velocity  make  AlGaN/GaN  an 

excellent candidate for high electron mobility transistors (HEMTs), high power switches, 

hetero bipolar  transistors and many other high power devices. [1–3] Up  to date  the 

ternary systems AlGaN and InGaN are the only technologically relevant candidates for 

blue and near UV  light emitting diodes  (LEDs) [4,5] and  laser diodes  (LDs) [6,7]. GaN 

based devices are built  into many common  technologies  like blue‐ray disc players or 

white light flashes in photo cameras.  

Most of electronic and optoelectronic devices strongly benefit  from high  free carrier 

concentrations.  Such  benefits  do  not  only  directly  affect  the  pivotal  ratio  between 

majority and minority carrier concentrations, but also other,  less obvious advantages 

are just as significant. For instance, tailoring the refractive index by means of doping can 

lead  to  a  better  optical mode  confinement  in  InGaN  laser  diodes [8]  or  screening 

polarization induced electric fields in InGaN light emitting devices. [9] 

Despite  the  subsequent emergence of various electronic and optoelectronic devices, 

high doping concentrations are generally accompanied by compensation effects, and 

the  incorporation of deep  level point defects,  structural defects  and unintentionally 

dopants,  which  collectively  diminish  the  crystalline  quality  and  limit  the  device 

performance. Studying the influence of doping on the luminescence has been proven as 

an  effective  tool  for  deepening  the  understanding  of  the  nature  of  compensation 

mechanisms.  

The  effect  of  high  free  carrier  concentrations  on  the  electronic  structure  of  a 

semiconductor  is well  known. [10]  Additionally,  the  interaction  of  high  free  carrier 

concentrations  and  excitons  has  been  studied  for  many  years  and  is  also  well 

understood. [11]  Nevertheless,  high  doping  concentrations  are  generally  highly 

Page 8: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

1 Introduction   

  2

correlated with high  free carrier concentrations, but also compensation mechanisms 

and a reduction of crystalline quality. This makes it difficult to observe either the effects 

of high  free carrier concentrations on the electronic structure or excitons separately. 

However, in n‐type GaN high free carrier concentrations above 1019 cm‐3 are achievable 

with minor compensation issues. Additionally, GaN is a direct semiconductor with a high 

exciton binding energy, which makes it an ideal semiconductor to study the influence of 

high free carrier concentrations on the electronic structure and excitons in detail. 

 

1.1 Scopeofthesis

The aim of  this  thesis  is  to give  the reader a deeper understanding of compensation 

mechanisms  in  n‐type  GaN  and  the  effect  of  high  free  carrier  concentrations  on 

luminescence and excitons. The operation of most semiconductor based devices require 

free  carriers  within  the  crystal.  However,  doping  of  semiconductors  is  generally 

accompanied by unwanted compensation effects. Compensation leads to a reduction of 

free  carrier  concentration  and  mobility,  increased  point  defect  concentration, 

decreased crystalline quality and optical transparency. Currently it is very challenging to 

grow semiconductors with high free carrier concentrations without any compensation 

effects. Commercially available transparent conducting oxides (TCO) are generally highly 

compensated. In these materials, it is known that for free carrier concentrations in the 

range of 1019  ‐ 1020  cm‐3 doping  concentrations  in  the  range of 1021  ‐ 1022  cm‐3 are 

necessary, which means only every approx. 100th dopant atom contributes an electron 

to  the  system. To overcome  this  challenge one has  to understand  the  limits of  free 

carrier concentrations as well as under which circumstances compensation starts and 

how it affects the crystalline quality. This matter is discussed in chapter 4 for the case of 

compensation in Ge doped GaN and in chapter 5.2 for the case of Si doped GaN.  

The free carrier concentration and the defect concentration due to compensation have 

a strong impact on excitons. High free carrier concentrations in the range of 1020 cm‐3 

Page 9: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

1 Introduction 

3

are  generally  accompanied  by  poor  crystalline  quality,  which  makes  it  difficult  to 

investigate the effect of high free carrier concentrations on excitons on its own. 

In order to address these  issues, several GaN samples are  investigated with different 

growth techniques and dopants. The outcome of this work provides crucial information 

for producing GaN layers with high free carrier concentrations without any measurable 

compensation, which makes them perfect for optoelectronic devices that require high 

free carrier concentrations and transparency. Additionally, this work gives a new insight 

in the interaction of excitons with high free carrier concentrations, which is shown on 

chapter 5.3. 

   

Page 10: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  4

2 Theory

2.1 Ramanspectroscopy

2.1.1 Latticedynamicsandphononsinwurzitecrystals

Wurtzite  crystals,  like GaN, belong  to  the  space  group C46v with n = 4  atoms  in  the 

primitive unit cell. This leads to 3n = 12 vibrational Eigenmodes. Three of these modes 

are  acoustical;  nine  are  optical.  Group  theory  delivers  the  following  irreducible 

representation. [12] 

1 1 1 22 (1) 2 (1) 2 (2) 2 (2)A B E E  

The A1 and B1 modes are onefold; the E1 and E2 modes are twofold degenerated. The 

three acoustical modes consist of one A1 mode and one E1 pair mode. The other nine 

modes are optical, which are illustrated in Figure 1.  

 

 Figure 1: Schematic illustration of the optical phonon modes in GaN. 

 

The A1 and B1 modes oscillate in the direction of the c‐axis, the E1 and E2 modes oscillate 

perpendicular to it. Both B1 and E2 modes are distinguished by their energy and named 

Page 11: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

5

“high” and “low”.  In  the case of GaN  the prominent displacement of  the  low modes 

occurs from the Gallium and for the high modes from the nitride. The B1 modes are silent 

and not measurable by the means of Raman spectroscopy. The A1 and E1 modes are 

polar modes, because of opposite directions of vibrations of anions and cations. That 

means they can be influenced by electric fields. The wurtzite structure of GaN allows for 

spontaneous  polarization  and  piezoelectric  fields  and  generate  a  splitting  into 

longitudinal optical (LO) and transversal optical (TO) A1 and E1 modes. This splitting  is 

not predicted by the group theory as the description is limited to purely vibrational non‐

propagating Eigenmodes at the  point with q = 0. The size of the splitting is expressed 

by the Lyddane‐Sachs‐Teller relation. [13] The B1 and E2 modes are not polar, so they do 

not exhibit such a splitting. That means a shift of the E2 modes can only occur from strain 

within a crystal and  is  independent of the free carrier concentration. The  intensity or 

even observability of all modes depends on the geometry used  in the measurement, 

where  ∝ | ∙ ∙ |.  The  intensities  consists of orientation of  the polarization  and 

direction of the incoming light  and orientation of the polarization and direction of the 

detected  light  . The elements of the Raman tensors, R, determine  if the modes are 

allowed or forbidden  in certain geometries. The Raman tensors for phonon modes  in 

wurtzite structures are given by: 

1

aA z a

b

  1

cE x

c

1E y cc

2

d dE d d

   

The scatter geometry for Raman measurements  is represented  in the so called Porto 

notation [14],  , where    and    indicate  the  direction  and    and    the 

polarization the incident and scattered light. In this work only backscattering geometry 

is  applied,  so  the  incident  and  the  detection  of  the  scattered  light  is  in  opposite 

directions. For simplification the Cartesian coordinate system is used whereas the z‐axis 

is chosen to be parallel to the c‐axis of the wurtzite crystal. Table 1 shows all allowed 

modes for backscattering geometry. In these configurations all modes can be visualized. 

Page 12: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  6

The E1(LO) mode is theoretically forbidden in backscattering geometry, but the Fröhlich 

interaction allows for the visualization in x(zz)x geometry. [15]  

Table 1: Selection rules for Raman active modes in wurtzite crystals. 

Scatter geometry  Allowed modes 

z(xx)z  E2(low, high), A1(LO) 

z(xy)z  E2(low, high) 

x(yy)x  E2(low, high), A1(TO) 

x(zz)x  A1(TO), E1(LO) – Fröhlich interaction 

x(yz)x  E1(TO) 

 

500 550 600 650 700 750

0.0

0.5

1.0

1.5

E1(LO)

E1(TO)A1(LO)

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Ramanshift (cm-1)

m-plane / x(..)x c-plane / z(..)z

A1(TO)E2(high)

 

 Figure 2: Room temperature Raman spectroscopy spectra of in backscattering geometry of a GaN sample. The spectra are taken in c‐plane (black line) and m‐plane (red line) direction. The  spectra  are  normalized  and  shifted  vertically  for clarification. 

 

Figure 2 shows two Raman spectra of the same undoped c‐plane GaN sample measured 

in two different orientations without polarization. The black and red spectra represent 

Page 13: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

7

Raman measurements of the surface in‐plane and in cross section. Both spectra show 

all expected phonon modes, except for the E2(low) modes, which  is outside the given 

measurements range. A  faint signature of  forbidden phonon modes  for given scatter 

geometries  is generally visible due to  low crystalline quality, scattering at defects and 

the broad light collection angle of the applied objective.  

 

2.1.2 Determinationofstrainvalues

GaN is commonly grown on foreign substrates like Sapphire, Silicon and Silicon Carbide 

for  cost  reduction. [16,17]  The  lattice  mismatch  and  different  thermal  expansion 

coefficients of substrate and GaN cause biaxial strain  in the grown GaN  layer. Raman 

spectroscopy is the standard nondestructive method for the determination of the strain 

in bulk and nanostructured materials. In this thesis the investigated samples are grown 

on  (0001)  Sapphire  substrates  (lattice  mismatch  13.5%),  which  cause  biaxial 

compressive strain in the GaN layer. This experimental technique relies on the precise 

knowledge of phonon deformation potentials which in turn allows the determination of 

the strain levels from the phonon frequencies. The shift of phonon modes in comparison 

to the relaxed values (given in Table 2) allows for determination of strain values. Non‐

polar modes as e.g. the E2(high) in a wurtzite crystal like GaN serve as an ideal tool for 

stress determination, because the position of the E2(high) only depends on strain and is 

independent of free carrier concentration. All other modes are much  less suitable for 

strain determination. The LO modes  interact with free carriers and the TO modes are 

not present in every scatter geometry. Even if the E2(low) mode is a non‐polar mode and 

therefore  appropriate  for  strain  determination,  its  strain  coefficient  is  very  small  in 

comparison to the E2(high) mode’s. 

Table 2: Relaxed values for all Raman modes in GaN  [18] 

Mode  E2(low) A1(TO)  E1(TO)  E2(high)  A1(LO)  E1(LO) 

Wavenumber (cm‐1)  145  533  560  567  735  742 

 

Page 14: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  8

The pressure  induced  frequency  shift ∆  of  a phonon mode  for  the  case of biaxial 

isotropic strain ( ) within the frame of Hooke’s law is: 

∆ 2 2  

,  2  

The measured frequency shift ∆  provides the phonon deformation potentials   and   

for a known strain   or the phonon pressure coefficients   and   for a known stress  . 

The  elastic  stiffness  constants    for  GaN  were  taken  from  Brillouin  scattering 

experiments. [19]  Uniaxial  pressure  ( 0  and  0)  dependent  Raman 

spectroscopy measurements allow for direct determination of  , whereas hydrostatic 

pressure  ( )  dependent  Raman  spectroscopy  measurements  allow  for 

determination of 2 . With the knowledge of the hydrostatic pressure coefficient of 

the  E2(high)  mode  (4.24 cm‐1/GPa [20])  and  the  corresponding  uniaxial  pressure 

coefficient  (1.38 cm‐1/GPa [21])  one  can  calculate  the  biaxial  pressure  coefficient  of 

2.86 cm‐1/GPa. 

The  relative  change of  the a‐ and  ‐lattice  constant  ( and  ) due  to  strain  can be 

calculated from 

∆E high / 2.86 ∙  and  2 / , 

where M is the biaxial modulus of a wurtzite crystal, which is defined based on the elastic 

constants  : 

2 /  

The   values taken from Polian et al. [19], yield a value of M = 479 GPa. 

2.1.3 Longitudinalopticalphononplasmoncoupling

In  polar  semiconductors  like  GaN  long  range  electrostatic  fields  generate  a  LO‐TO 

splitting of the polar A1 and E1 modes. These LO‐modes can  interact and couple with 

plasmons  and  create  longitudinal  optical  phonon  plasmon  (LPP)  modes.  In  doped 

Page 15: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

9

semiconductors, instead of a single LO mode, two coupled LPP modes are visible, a LPP‐ 

and a LPP+. Disregarding the damping of phonons and plasmons, the position of these 

LPP modes depend only on the position of the LO mode LO, the TO mode TO and the 

plasma frequency p.  

2 2 

Whereas the LO and TO modes are fixed and known for the given semiconductor, the 

plasma frequency depends on the free carrier concentration n. 

4∗  

Here is   the elementary charge,  the high frequency dielectric constant for the given 

material and  ∗ the effective mass for the given material and charge carrier. With these 

formulas it is possible to calculate the free carrier concentration within the investigated 

sample by measuring the position of at least one of the LPP modes. 

1017 1018 1019 1020

500

1000

1500

2000

2500

A1(TO)

LPP-

Freq

uenc

y (c

m-1)

Free carrier concentration (cm-3)

LPP+

p

A1(LO)

 Figure 3: Values of  the undamped LPP‐ mode, LPP+ mode and  plasma  frequency  over  free  carrier  concertation  in GaN. 

 

Page 16: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  10

Figure 3 displays the frequency of the LPP modes versus the free carrier concentration. 

The LPP‐ mode shifts from zero wavenumbers towards the position of the A1(TO) mode 

and  the  LPP+ mode  starts  at  the  position  of  the  A1(LO)  and  shifts  towards  higher 

wavenumbers with  increasing free carrier concentration. Not shown  in this figure are 

the increase of FWHM and decrease of intensity with free carrier concentration of the 

LPP+ in addition to the decrease of FWHM and increase of intensity of the LPP‐ at the 

same time. With increasing free carrier concentration the LPP‐ gains a more phonon like 

character and the LPP+ gains a more plasmon  like character. The plasmon damping  is 

two to three orders of magnitudes stronger than the phonon damping. This means the 

stronger  the  plasmon‐like  character  of  a mode  the  broader  and weaker  the mode, 

becomes in Raman spectroscopy [22]. The damping also influences the position of the 

modes [23]. However, as the focus is on the LPP‐ for free carrier concentrations above 

1019 cm‐3, the influence of the plasmon damping on the position is negligibly small due 

to its strong phonon‐like character. 

2.2 Deformationpotentialsofexcitons

The  three  valence bands of wurtzite GaN have  the geometries HH Γ ,  LH Γ  and 

CH Γ  with the energy maxima given by 

Δ Δ , 

/ 2∆ , 

with 

. [24] 

Here, Δ  describes the crystal‐field splitting of the Γ  and Γ  orbital states, while Δ  and 

Δ   describe  the  spin‐orbit  interaction  parallel  and  perpendicular  to  the  c  axis, 

respectively.    are  components  of  the  strain  tensor  and    are  valence  band 

Page 17: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

11

deformation  potentials.  It  should  be  noted  that  herein  a  negative  sign  indicates 

compressive  strain,  a  positive  sign  indicates  tensile  strain  and  Δ   are  strain 

independent. [25] For the conduction band the minimum energy is given by 

Δ Δ . 

Where,   is the strain free or relaxed value for the band gap and   and   are the 

conduction band deformation potentials. The combination of the formula for the strain 

dependent shifts of the valence band and conduction band results  into the band gap 

shifts due to strain: 

Δ  

Δ // Δ 3Δ

2 2 2

∓Δ Δ

22∆  

For the case of biaxial strain holds  2 /  and  0.  

-0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 0.002 0.003

3.40

3.45

3.50

3.55

3.60

GaN

:nid

zz

FXA

FXB

FXC

FXn=2A

rela

xed

posi

tion

Ene

rgy

(eV

)

 

Figure 4: Shifts of the excitonic luminescence related to the A, B and  C  valence  band  versus  c‐axis  lattice  parameter  based  on Ref.  [26]. The dashed lines mark positions of a relaxed GaN layer and the position of the investigated GaN:nid layer. 

Page 18: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  12

Figure 4 shows the shift of A‐, B‐, C‐excitons and the excited state of the A‐exciton (n=2) 

versus the c‐lattice constant due to biaxial strain, assuming that the binding energy of 

excitons is strain independent. The elastic constants   values are taken from Polian et 

al. [19], the deformation potentials and Δ  values from Alemu et al. [26], the exciton 

transition energies from Monemar et al. [27] and the energy shift of the excited state 

from Volm et al. [28].  

The centered dashed  line at  0 marks  the position of all excitonic  transitions  in 

strain  free GaN.  The  second  dashed  line  at  0.0014 marks  the  position  of  all 

excitonic  transitions  for  a  compressive  strained GaN:nid  sample  grown on  sapphire, 

which  is  investigated  in  detail  in  chapter  5.3.1.  As  the  biaxial  compressive  strain 

perpendicular to the c‐axis of the crystal becomes greater, both the c‐lattice constant 

and the energies of the A‐, B‐ and C‐exciton increase. The energetic difference between 

the A‐, B‐ and C‐excitons changes with strain due to the non‐linear nature of the shift of 

the B‐ and C‐valence band. This behavior also allows  for a crossing of  the A‐ and B‐

valence band (heavy and light hole) for tensile strain conditions.  

It  is  important  to  note  that  the  strain  values  of  the  GaN  measured  by  Raman 

spectroscopy at room temperature cannot be used to determine the energetic positions 

of  excitons  at  liquid  Helium  temperatures.  Due  to  the  higher  thermal  expansion 

coefficient of sapphire in comparison to GaN  [29], the GaN layer is more compressively 

strained at Helium temperatures than at room temperature. Consequently an additional 

compressive stress of 0.21 GPa has to be taken into account. [30] 

 

2.3 Optical and electronic properties of semiconductors with high free

carrierconcentrations

The influence of high free carrier concentrations on electronic states in heavily doped 

semiconductors is well known for many decades [10]. High excitation densities or heavy 

doping of semiconductors changes the band structure of the  intrinsic material, which 

Page 19: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

13

can be observed e.g. by absorption and photoluminescence measurements. This effect 

has been observed experimentally for optically pumped ZnO [31] and GaN [32–34] and 

highly n‐doped Si [35], ZnO [36] and GaN [37–40].  Besides band filling, increasing free 

carrier densities cause a band gap renormalization (BGR) [35] or band gap shrinkage due 

to electron‐electron and electron‐ion interaction. 

∆ ∆ ∆  

These two contributions can be approximated by: [41] 

Electron‐electron interaction: ∆ 1 arctan  

Electron‐ion interaction:    ∆ ∗  

Fermi vector:            √3  

Thomas‐Fermi screening length:  2 ∗  

Screened Bohr radius:    ∗∗  

The  Burstein‐Moss  shift  (BMS)  describes  the  shift  of  the  absorption  edge  to  higher 

energies  in highly doped semiconductors. [42,43] Doping  introduced high  free carrier 

densities cause population of band‐states by carriers, which relax to the lowest available 

energy.  Due  to  Pauli‐blocking  this  energy  increases with  increasing  carrier  density, 

making a semiconductor transparent up to the degenerate Fermi energy level. The BMS 

in the conduction band follows the law: 

∆2 ∗  

Page 20: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  14

 

 

 Figure 5: (a) Band structure of an undoped semiconductor and (b) in the presence of a degenerated electron gas with density ne. [44] (c) Shift of the lowest not occupied state of the conduction band for GaN versus free carrier concentration. 

 

The effect of the band gap narrowing due to the BGR and band filling due to the BMS on 

the  band  structure  is  depicted  in  Figure  5.  The  lower  part  of  Figure  5  shows  the 

characteristic of the lowest not occupied state of the conduction band. For free carrier 

Page 21: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

15

concentrations below 1018 cm‐3 the BGR has a much stronger influence on the CB than 

the BMS and causes a reduction of the bandgap of more than 30 meV. At higher free 

carrier concentrations the influence of the BMS overtakes the BGR effect and the lowest 

not occupied state of CB shifts towards higher energies due to filling of the CB states.  

Undoped  semiconductors  show a dominant absorption of excitonic  states below  the 

fundamental band gap. [45–48] They are caused by  the Coulomb attraction between 

electrons  and  holes  that  stabilizes  the  excited  electron‐hole  pairs. High  free  carrier 

concentrations screen the electron‐hole interaction significantly. However, free carrier 

densities as  low as n < 1018 cm‐3  can  cause a  reduction of  the Wannier‐Mott exciton 

binding energy. With increasing free carrier concentration, the binding energy decreases 

further until the Mott density [49] is reached and the exciton binding energy approaches 

zero,  when  the  critical  carrier  density  is  about  n = 7 x 1018 cm‐3 – 1 x 1019 cm‐3  in 

GaN. [32,50]  

 

 Figure  6:  Exciton  binding  energy  (black)  and  relative  oscillator strength (red), normalized with respect to the oscillator strength of the A‐exciton of undoped ZnO, versus free electron concentration n. The  dotted  line  indicates  the  density  calculated  from  the  Mott criterion. [11]   

 

Page 22: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory   

  16

Figure 6 shows the binding energy of the lowest excitonic bound state for doped ZnO 

along with the corresponding oscillator strength. The binding energy and the oscillator 

strength  both  decrease  by  orders  of  magnitude  with  increasing  density  of  the 

degenerate electron gas. Nevertheless, excitonic state with binding energies of approx. 

1 meV and oscillator strengths of approx. 10%, in comparison to the undoped case, exist 

for  free carrier densities beyond  the Mott  transition. Schleife et al. [11] showed  that 

instead  of  the  concept  of  an  exciton Mott  transition,  a  continuous  transition  from 

Wannier‐Mott excitons to Mahan excitons [51] appears. 

3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

D(E

)

F(E)

Energy (eV)

Fermi-Dirac funktion DOS GaN:nid DOS highly doped GaN theoretical PL spectrum

Fermi energy

I(E) ~ F(E) * D(E)

 

 Figure  7:  Calculated  DOS  for  GaN:nid  and  highly  doped  GaN.  The theoretical PL spectrum is calculated by the Fermi‐Dirac function and the DOS at a Fermi energy of 3.6 eV and a temperature of 100 K.  

 

The  influence of  the degenerated electron gas on  the density of  states  (DOS)  is 

depicted  in Figure 7. The DOS of undoped semiconductors exhibits a square root 

like  character,  the DOS of highly doped  semiconductors have a  square  root  like 

character for energies above the band gap energy of the undoped semiconductor 

as well, but for lower energies a band tail with exponential character appears. The 

change of the shape of the DOS characteristic is based on approximations of Kane 

Page 23: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

2 Theory 

17

et al. [52] The resulting PL spectrum can be calculated from the DOS function and 

the Fermi‐Dirac function. An increase of the free carrier concentration or a higher 

Fermi energy results in a longer band tail at lower energies due to the BGR and a 

shift of the maximum of the PL to higher energies due to the BMS. Additionally, 

Figure 7 shows that the saddle point of the PL spectra matches the Fermi energy. 

Consequently the Fermi energy can be estimated from PL measurements (at least 

for low excitation densities, where the number of additional free carriers in the CB 

through excitation  is negligible small). This energy  is comparable with the  lowest 

not occupied state  in  the CB, which allows  for  the calculation of  the  free carrier 

concentration as depicted in Figure 5c.   

   

Page 24: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

3 Experimental details   

  18

3 Experimentaldetails

3.1 Ramansetup

The micro‐Raman measurements were  performed  in  backscattering  geometry  z(..)z, 

utilizing a Horiba LabRAM HR 800 equipped with a 1200 l/mm grating (500 nm blaze), 

an Olympus BX41 optical microscope, and a 532 nm DPSS laser as excitation source. For 

measurements  at  room  temperature,  a  100x objective was  applied, while  cryogenic 

temperatures requested an 80x long distance objective as the sample was placed in an 

Oxford liquid‐He microstat cryostat. The sample was placed on a 3‐axes motorized stage. 

In order  to  investigate  the homogeneity of  the samples,  the Raman microprobe was 

performed for up to 16 sample positions. All Raman mode positions and full widths at 

half maximum (FWHM) were obtained by a careful manual peak fitting routing applying 

Lorentzian fit functions. 

 

3.2 MacroPL/PLEsetup

The photoluminescence (PL) and photoluminescence excitation (PLE) experiments were 

performed in 90° geometry in one setup comprising a He‐bath‐cryostat providing a base‐

temperature of 1.8 K. For the continuous wave PL measurements, a HeCd‐laser (325 nm) 

was  used,  while  the  PLE measurements  were  conducted  with  a  dye‐laser  (100  Hz 

repetition rate, 20 ns pulse width, pumped by a XeCl excimer laser) containing 2‐methyl‐

5‐t‐butyl‐p‐quaterphenyl  (DMQ)  as  active  medium.  The  luminescence  signal  was 

dispersed  by  an  additive  double monochromator  (Spex  1404  ‐  0.85 m  focal  length, 

1200 groves/mm, 500 nm blaze) equipped with an ultra‐bialkali photomultiplier  tube 

(Hamamatsu,  H10720‐210).  This  PL  setup  is  specialized  for  low  excitation  power 

(~100 W/cm2) measurements at very  low  temperature  (1.8 K) and very high  spectral 

resolution of the detection (< 20 pm) and the PLE excitation (< 0.15 nm).  

Page 25: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

3 Experimental details 

19

3.3 MicroPL/TRPL/PLEsetup

 Figure 8: Scheme of  the  complete micro‐photoluminescence  setup. Most of  the applied optics are enhanced for the ultraviolet spectral range. Optics symbolized with solid contour lines are  constantly present  in  the beam path, whereas dashed  contour  lines  symbolize optional or flip mounted optics. 

 

A scheme of the complete micro‐photoluminescence (µ‐PL) setup is shown in Figure 8. 

This setup contains  four possible excitation sources.   A  frequency doubled Ar2+  laser 

(244 nm/257 nm) and a HeCd laser (325 nm/441.6 nm) provided continuous wave (cw) 

excitation.  For  time  resolved  PL  (TRPL)  measurements  the  fourth  harmonic  of  a 

picosecond Nd:YAG laser (266 nm, 76 MHz repetition rate, 55 ps pulse width) was used. 

For PLE measurements a 500 W XBO lamp was employed and the excitation wavelength 

was selected by a 0.22 m double monochromator with switchable gratings, which allow 

for a broad excitation wavelength range from about 200 nm to 1000 nm. The excitation 

Page 26: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

3 Experimental details   

  20

power of the selected excitation source can be  limited by two motorized continuous 

optical grey filter wheels.  

The sample was situated in a helium flow micro cryostat ST‐500 manufactured by Janis, 

enabling a temperature variation from 4 K to 400 K. The measurements are performed 

in backscattering geometry. The  light was  focused and collected by an UV enhanced 

objective manufactured by Thorlabs with 20x magnification and a numerical aperture of 

0.4. A customized Köhler illumination along with a charge coupled device (CCD) camera 

module allow an imaging of the sample surface. The entire cryostat is mounted on a 2‐

axes motorized stage with a minimum step size of 200 nm. The objective is mounted on 

a closed loop 3‐axes piezo stage with a minimum step size of 1 nm and a maximum scan 

range of 100 µm, which allows for a detailed mapping of the samples surface.  

The PL was spectrally analyzed by a single monochromator (Spex 1704 ‐ 1 m focal length, 

1200 groves/mm, 500 nm blaze) equipped with a nitrogen  cooled UV‐enhanced CCD 

array and temporally analyzed by a subtractive double monochromator  (McPherson 

2035  –  0.35 m  focal  length,  2400 groves  /mm,  300 nm  blaze)  equipped  with  a 

multichannel‐plate  (MCP)  photomultiplier  (Hamamatsu  R3809U‐52)  limiting  the 

temporal resolution to ≈ 55 ps. Standard photon counting electronics were applied  in 

order to derive the final histograms. 

This setup combines PL, PLE and TRPL measurements  including tunable temperatures 

and excitation powers with the option of mapping the samples surface. 

   

Page 27: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

21

4 CompensationinhighlyGermaniumdopedGaN

Within this thesis are two sets of Ge doped GaN samples investigated. Both sets were 

grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), but with different growth 

conditions. These two sets of samples show very different measurement results, despite 

having similar Ge contents. The first set is described and investigated in this chapter (4), 

the second set in chapter 5. 

4.1 Investigatedsamples

The  samples were grown by MOCVD  in a vertical  showerhead  reactor. All  structures 

consist  of  a  low  temperature  AlN  nucleation  layer  on  (0001)  sapphire  substrate 

overgrown with an 1.3 µm undoped GaN buffer layer and 1.1 µm Ge doped GaN layer. 

The doped layers were grown under a V/III ratio of 2000 and reactor pressure of 20 Torr. 

The TEGa  flow was 134 µmol/min with a total gas  flow of 7.2 slm. The Ge  flow rates 

ranged from 0.135 to 4.5 µmol/min. The growth temperature for the undoped buffer 

layer was 1040 °C and lowered to 960 °C for the doped layer. This reduction of growth 

temperature for the doped layers allows for an efficient incorporation of Ge atoms into 

the  crystal [53].  The  disadvantage  of  the  decreased  growth  temperature  is  a  lower 

crystalline quality. Table 3 shows: the Ge flow rates during the growth, the free carrier 

concentrations determined by Hall effect measurements and Ge concentrations from 

secondary  ion mass spectrometry  (SIMS). The Ge concentrations  in brackets  (sample 

M001 and AR960) were not measured, but estimated by linear approximation.  

 

 

 

 

Page 28: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  22

Table  3:  Free  carrier  and  dopant  concentrations  measured  by  Hall  effect  and  SIMS measurements, Germane flow rates of the investigated samples. 

Sample  Germane flow rate  Free carrier 

concentration (Hall) 

Ge concentration 

(SIMS) 

M001  0.135 µmol/min  3.0 x 1019 cm‐3  (1.3 x 1019 cm‐3) 

AR962  0.225 µmol/min  5.0 x 1019 cm‐3  4.7 x 1019 cm‐3 

AR960  0.450 µmol/min  1.2 x 1020 cm‐3  (1.1 x 1020 cm‐3) 

AR997  0.900 µmol/min  2.3 x 1020 cm‐3  2.5 x 1020 cm‐3 

AR999  1.350 µmol/min  1.3 x 1020 cm‐3  4.0 x 1020 cm‐3 

AR959  2.250 µmol/min  1.1 x 1020 cm‐3  6.9 x 1020 cm‐3 

AR958  4.500 µmol/min  6.1 x 1019 cm‐3  1.2 x 1021 cm‐3 

 

4.2 Compensationmechanismsindopedsemiconductors

Free carrier concentrations in semiconductors are not solely determined by their doping 

concentrations. In general not every dopant atom contributes a free carrier to a crystal, 

especially  for high doping concentrations. The growth conditions and the Fermi  level 

during  the  growth have  a  strong  influence on  the  formation of point defects. Point 

defects can strongly influence the electronic and optical properties of semiconductors. 

The incorporation of point defects by doping can lead to compensation, which limits or 

even  reduces  the  electrical  conductivity.  The  formation  energy  and  therefore  the 

density of point defects is a function of the Fermi energy during the growth of a sample. 

The  lower  the  formation  energy  of  a  point  defect  the  higher  the  possibility  of  its 

formation and therefore its concentration within a crystal. This model accounts for the 

dopant  on  a  lattice  sites,  interstitials,  complexes  and  native  point  defects.  With 

increasing doping concentration the  formation energies of charged defects decrease, 

which  can  cause  compensation  of  dopants  in  the  film.  A  typical  example  for  this 

mechanism  is  Mg  doped  p‐type  GaN  where  for  doping  concentrations  above 

2 x 1019 cm‐3 the formation energy of nitrogen vacancies (VN) is reduced drastically which 

leads to highly compensated layers. [54] Doping concentrations above 3 x 1019 cm‐3 with 

Page 29: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

23

Mg leads to an increase of the resistivity of GaN layers [55] and at sufficient high doping 

in  the  1020 cm‐3  regime  the material  can  even  become  n‐type  conductive. [56]  The 

reduction of the conductivity (i.e. a decrease of the free carrier concentration) is caused 

by  self‐compensation. [57]  Self‐compensation  means  that  from  a  specific  doping 

concentration a  further  increase of  the doping concentration  leads  to a constant  (or 

decreasing)  free  carrier concentration. [58–60] Amphoteric or  interstitial behavior of 

the dopant can cause a saturation of the free carrier concentration, [60] but a decrease 

of the free carrier concentration needs a compensating defect of the opposite charge 

species.  For  Mg  doped  GaN  the  compensating  defects  are  nitrogen  vacancies 

(VN) [55,57] and complexes containing VN.  [61,62]  

In  n‐type  GaN,  Silicon  is  the  most  common  n‐type  dopant,  where  free  carrier 

concentrations above 1019 cm‐3 can be achieved. Higher free carrier concentrations are 

inhibited  by  self‐compensation, which  is  caused  by  the  reduction  of  the  formation 

energy of Gallium vacancies  (VGa) [54,63] and residual Carbon  impurities [64]. Carbon 

can also be deliberately  incorporated  into GaN to create semi‐insulating buffer  layers 

that  improve  the  performance  of  AlGaN/GaN  heterojunction  field‐effect 

transistors. [65–67] This is possible because Carbon substitutes the Nitrogen site (CN) in 

GaN and acts as a deep acceptor. [68]   As deep centers, the carbon acceptor and the 

Gallium  vacancies,  are  both  possible  candidates  for  the  widely  observed  yellow 

luminescence (YL).  It  is still of debate whether Carbon [68–71], VGa [72–75] or even a 

complex both centers are the origin of the YL in GaN. Nonetheless, the YL in n‐type GaN 

indicates  the  presence  of  compensation,  because  in  all  cases  the  YL  is  caused  by 

acceptors.  Consequently  by  increasing  doping  concentration  the  density  of  VGa  and 

Carbon can increase, which can limit the free carrier concentration. 

Besides the compensation, another challenge in Silicon doped GaN is the occurrence of 

significant  tensile  strain  levels  in  epilayers, [37,76,77] which  is discussed  in detail  in 

chapter 5.2.2. Every type of point defect  influences the strain within the crystal, and 

Page 30: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  24

depending  on  their  sizes  and  bonding  lengths,  point  defects  can  affect  the  lattice 

parameters  [77,78]. 

The following section presents the influence of high Germanium (Ge) concentrations, in 

the  range of Ge = 1.3 x 1019 cm‐3  to 1.2 x 1021 cm‐3, on  the  free carrier concentration, 

strain and crystal quality within the doped GaN layer, measured by Raman spectroscopy. 

 

4.3 Ramanspectroscopyresults

480 500 520 540 560 580 600

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Ramanshift (cm-1)

Ge = 1.2 x 1021 cm-3, n = 6.1 x 1019 cm-3

Ge = 6.9 x 1020 cm-3, n = 1.1 x 1020 cm-3

Ge = 4.0 x 1020 cm-3, n = 1.3 x 1020 cm-3

Ge = 2.5 x 1020 cm-3, n = 2.3 x 1020 cm-3

Ge = 1.1 x 1020 cm-3, n = 1.2 x 1020 cm-3

Ge = 4.7 x 1019 cm-3, n = 5.0 x 1019 cm-3

Ge = 1.3 x 1019 cm-3, n = 3.0 x 1019 cm-3

 

 Figure 9: Raman spectra of all investigated samples. The results of SIMS and Hall effect measurements are given in the legend. The influence of the free carrier concentration on the shift of the LPP‐ mode is depicted by the arrow. 

 

To  investigate  the  dependence  of  free  carrier  concentration  on  the  doping  level  in 

Germanium doped GaN by the means of Raman spectroscopy (see chapter 2.1.3), seven 

samples have been grown. The Ge content of these samples has been varied by using 

different GeH4 flow rates during the growth. The flow has been varied from 0.135 to 

4.5 µmol/min,  which  resulted  in  a  Ge  content  ranging  from  1.3 x 1019 cm‐3  to 

1.2 x 1021 cm‐3.  Hall  effect  measurements  revealed  an  increase  of  the  free  carrier 

Page 31: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

25

concentration  from  n = 3  x  1019  cm‐3  at  Ge = 1.3 x 1019 cm‐3  to  n = 2  x  1020  cm‐3  at 

Ge = 2.5 x 1020 cm‐3.  A  further  increase  of  the  Germanium  concentration  leads  to  a 

decrease  of  the  free  carrier  concentration  to  n = 1.3 x 1020 cm‐3  and  lower.  Figure  9 

shows  the Raman  spectra of  these  seven Germanium doped  samples,  featuring  two 

E2(high) modes  and  a  LPP‐ mode  in  each  spectra.  The  E2(high) modes  at  568  cm‐1 

originate from the buffer layer and is stable in position and half width for all samples. 

The E2(high) modes at  lower wavenumbers originate from the Ge doped  layer, which 

show a shifting and broadening with  increasing Germanium content. The LPP‐ modes 

show a similar trend to the Hall effect measurements. A detailed trend of the E2(high) 

and LPP‐ modes originating from the Germanium doped layer is shown in Figure 10.  

565

566

567

E 2 (hi

gh) (

cm-1)

2345

FWH

M E

2 (hi

gh) (

cm-1)

0.0 2.0x1020 4.0x1020 6.0x1020 8.0x1020 1.0x1021 1.2x1021500

510

520

530

LPP- (c

m-1)

Ge content (cm-3)  

Figure  10:  Compilation  of  positions  and  FWHMs  of  E2(high) modes  and positions of LPP‐ Raman modes depending on the Ge content. 

 

 

With increasing Ge content in the range of Ge = 4.7 x 1019 to Ge = 4.0 x 1020 cm‐3 shifts 

the position of the E2(high) mode from 566.3 to 567.2 cm‐1, the FWHM increases from 

3.5 to 3.9 cm‐1. For the two higher Ge concentrations the positions of the E2(high) modes 

are  shifted  to  lower wavenumbers with a minimum of 565.7 cm‐1 and  the  FWHM  is 

considerably increased with a maximum of 4.8 cm‐1. These results show that the layers 

Page 32: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  26

with  low Ge content are tensile‐strained by 0.24 GPa (see chapter 2.1.2) with a good 

crystalline quality. With increasing Ge content the layers become compressive‐strained 

and are almost relaxed at a Ge content of 4.0 x 1020 cm‐3 with a compressive strain of 

0.07 GPa and a slightly decreased crystalline quality. For higher Ge contents the layers 

are tensile strained up to 0.45 GPa and the crystalline quality  is drastically decreased. 

This indicates a drastic change in the defect concentration or crystalline structure within 

the sample and is a hint for an onset of compensation.  

The bottom graph in Figure 10 shows the process of the positions of the LPP‐ modes. It 

starts at 513 cm‐1 which corresponds to a free carrier concentration of 4.8 x 1019 cm‐3 

(see chapter 2.1.3). With  increasing Ge  concentration  the position of  the  LPP‐ mode 

shifts  towards  higher wavenumbers  and  therefore  indicates  an  increase  of  the  free 

carrier concentration. The maximum is reached at a Ge content of 2.5 x 1020 cm‐3 with a 

position of 522 cm‐1 which corresponds to a free carrier concentration of 8.6 x 1019 cm‐3. 

A further  increase of the Ge content  leads to a shift of the LPP‐ mode towards  lower 

wavenumbers. At the highest Ge content of 1.2 x 1021 cm‐3 the LPP‐ mode amounts to 

518 cm‐1  which  corresponds  to  a  free  carrier  concentration  of  6.1 x 1019 cm‐3.  The 

possible  reasons  for  the  decrease  of  free  carrier  concentration with  increasing  Ge 

content are due to compensation and passivation effects. 

Page 33: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

27

0.0 2.0x1020 4.0x1020 6.0x1020 8.0x1020 1.0x1021 1.2x1021

1x1020

2x1020

3x1020

4x1020

5x1020

6x1020

7x1020

Free

car

rier c

once

ntra

tion

(cm

-3)

Ge content (cm-3)

Hall effect LPP-

Compensation

Idea

l beh

avior

 

 Figure 11: Comparison free carrier concentrations estimated by Hall effect measurements and LPP coupling over doping concentrations estimated by SIMS. The solid black lines depicts the ideal behavior for the case that Ge content and free carrier concentration are the same.  

 

A  direct  comparison  of  the  free  carrier  concentration, measured  by Hall  effect  and 

Raman spectroscopy, with Ge content, measured by SIMS, shows the efficiency of the 

doping procedure. Figure 11 shows that the free carrier concentrations estimated from 

Hall effect and Raman spectroscopy measurements show similar results with the same 

trend.  The  large offset of  the  free  carrier  concentration between  the measurement 

results of the sample with a Ge content of 2.5 x 1020 cm‐3 most likely originates from an 

over estimation of the free carrier concentration by the Hall effect measurement or an 

inhomogeneity of the free carrier concentration over the as‐grown wafer, because the 

measurements  have  been  undertaken  on  two  different  pieces  of  the  same  wafer. 

Nevertheless the  increasing offset between the doping and free carrier concentration 

with increasing Ge‐content provides a clear evidence of compensation.  

 

Page 34: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  28

4.4 PLofcompensatedsemiconductors

Photoluminescence  is an excellent tool  for studying the  influence of high  free carrier 

concentrations  on  the  electronic  structure  of  a  semiconductor.  It  supports  the 

understanding of compensation mechanisms and helps to interpret the influence of high 

Ge doping with the given growth conditions on the incorporation of defects. Free carrier 

concentrations beyond the Mott transition are known to have a strong influence on the 

band structure of a semiconductor.    

3.30 3.35 3.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.65

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energie (eV)

1.2 x 1021 cm-3

6.9 x 1020 cm-3

4.0 x 1020 cm-3

2.5 x 1020 cm-3

1.1 x 1020 cm-3

4.7 x 1019 cm-3

1.3 x 1019 cm-3

3.50 3.55 3.60 3.650.0

0.2

0.4

Energy (eV)

 

 Figure 12: PL spectra of all investigated Germanium doped samples at 1.8 K. The spectra are vertically shifted and normalized for clarification. The inset presents the BMS caused high energy part of the PL spectra of the four lowest doped samples. The legend shows the Ge content measured by SIMS for the investigated samples. 

 

Figure 12 shows the evolution of the PL spectra of Ge doped samples with increasing Ge 

content.  The  samples  have  been  excited  by  a HeCd  laser with  an  excitation  power 

density of 100 W/cm2. With a Ge content of 1.3 x 1019 cm‐3 (black line) a typical spectrum 

for  a  degenerate  semiconductor  is  visible.  The  broad  luminescence  at  3.43 eV  and 

3.468 eV are caused by Ge related point defects. The luminescence at higher energies 

originates from direct transitions of the conduction band (CB) to the valence band (VB), 

so called band‐to‐band transitions. The high doping concentration leads to a high free 

Page 35: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

29

carrier concentration, in this case electrons, which causes a filling of the CB states. High 

free  carrier  concentrations,  especially  beyond  the  Mott  transition [49]  at  about 

n = 7 x 1018 cm‐3 – 1 x 1019 cm‐3 [32,50], lead to a deformation of the CB caused by the 

band gap renormalization [35] (BGR). In addition, the Burstein‐Moss shift [42,43] (BMS) 

causes  a  shift  of  the  luminescence  to  higher  energies  depending  on  the  Fermi 

energy. [79]  

A further increase of the Ge content to 4.7 x 1019 cm‐3 and 1.2 x 1020 cm‐3 (red and blue 

line)  shows  a  decrease  of  the  intensity  and  strong  quenching  of  the  defect  related 

luminescence  at  3.43 eV.  The  second,  higher  energetic  defect  related  luminescence 

increases in intensity compared to the energetic higher and lower parts of the spectra 

and shifts to lower energies of 3.567 eV. The BMS related luminescence shifts strongly 

towards higher energies (as shown in the inset of Figure 12) due to the filling of the CB 

states.  

In the spectrum with a Ge content of 2.5 x 1020 cm‐3 (magenta  line) the BMS related 

luminescence  is no  longer visible and only  the defect  related  luminescence  remains, 

which shifts further to lower energies of 3.465 eV. Any further increase of the Ge content 

leads to a strong broadening of the luminescence and a shift to higher energies until it 

reaches 3.48 eV for the highest Ge concentration of 1.2 x 1021 cm‐3 (violet line). The shift 

of the defect related luminescence over the whole range of Ge concentrations is mainly 

related  to  the BGR  and  less  to  strain,  as  it  can be  seen  in  the Raman  spectroscopy 

measurements  in Figure 10. Stress  in compressive direction causes an  increase of the 

band gap and therefore a shift of the luminescence to higher energies. Stress in tensile 

direction  would  cause  the  opposite  behavior.  An  increase  of  the  free  carrier 

concentration  causes  a  decrease  of  the  band  gap  and  therefore  a  shift  of  the 

luminescence to lower energies. A comparison of the shift behavior of the defect related 

luminescence with the free carrier concentrations shows the direct interaction.  

The strong broadening of the defect related luminescence with increasing Ge content 

can be explained by an energetic broadening of a Ge related defect band within the band 

Page 36: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  30

gap. The defect band evolves into band‐to‐band transitions of a GaNGe alloy. This effect 

is already known, e.g. from GaAs:N. [80] 

0.0 5.0x1019 1.0x10200.0

5.0x1019

1.0x1020

1.5x1020

Free

car

rier c

once

ntra

tion

(cm

-3)

Ge-content (cm-3)

Hall effect LPP-

PL

 Figure 13: Comparison of  free carrier concentrations estimated by Hall effect measurements, LPP coupling and shift of the Fermi edge estimated by PL measurements over Ge content given by SIMS measurements. 

 

The BMS related luminescence and the knowledge of the strain values of the layers allow 

for  an  estimation of  the  free  carrier  concentration  from  the PL measurements.  The 

saddle point of the high energy side of the above band gap  luminescence shows the 

maximum filling of the CB and  is equal to the Fermi energy. The strain within the Ge 

doped  layers  is  given  by  the  shift  of  the  E2(high) mode  in  the  Raman  spectroscopy 

measurements  shown  in  chapter 4.3 and allows  for  the  calculation of  the band gap 

value. The knowledge of the band gap and Fermi energy values allow for the calculation 

of the free carrier concentration (see chapter 2.1.3).  

A comparison of the free carrier concentrations estimated by PL, Raman and Hall effect 

measurements of the three lowest Ge doped samples is shown in Figure 13.  

Page 37: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

31

3.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.650

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

1.2 x 1021 cm-3

6.9 x 1020 cm-3

4.0 x 1020 cm-3

2.5 x 1020 cm-3

1.1 x 1020 cm-3

4.7 x 1019 cm-3

1.3 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energie (eV)

1019 1020 10210.02.0x106

4.0x106

6.0x106

8.0x106

1.0x107

Inte

grat

ed in

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Ge content (cm-3)

 

 Figure 14: High excitation power density PL spectra of all investigated Germanium doped samples at 1.8 K. The spectra are vertically shifted for clarification. The inset presents the relative  change of  the  integrated  luminescence of all  spectra. The  legend  shows  the Ge content measured by SIMS for the investigated samples.  

 

High excitation power density PL measurements have been performed to saturate most 

non‐radiative  recombination  channels  and  defect  luminescences  to  enhance  the 

visibility of band‐to‐band transitions, as shown in Figure 14. Here, the excitation power 

density of 50 kW/cm2  is 500  times higher  than  for  the performed PL measurements 

shown in Figure 12.  

While  the  defect  luminescence  at  3.43 eV  almost  disappeared  and  saturated  the 

intensity  of  the  luminescence  at  3.468 eV  is  drastically  enhanced  and  became  even 

stronger  than  the  BMS  related  luminescence.  This  result  indicates  the  origin  of  the 

emission at 3.468 eV has a very high density of states.  

The relative PL intensities in comparison to each other, as shown in the inset of Figure 

14, displays that the overall near band edge luminescence first increases at a free carrier 

concentration of 1.1 x 1020 cm‐3, then constantly decreases with increasing Ge content 

and increases again for the highest Ge content. A decrease of the intensity of the near 

Page 38: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  32

band edge luminescence can be caused by an increase of non‐radiative recombination 

or an increase of luminescences at lower energies. 

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.610-4

10-3

10-2

10-1

100 1.2 x 1021 cm-3

6.9 x 1020 cm-3

1.1 x 1020 cm-3

4.7 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

 Figure  15:  PL  spectra  of  all  investigated  Germanium  doped samples at 5 K. The data  is normalized for better comparison. The  legend  shows  the Ge  content measured by SIMS  for  the investigated samples. 

 

Figure 15 shows the PL emission from 1.8 eV to 3.7 eV of four selected Ge doped samples 

on  a  logarithmic  scale.  The  spectra  are  normalized  to  compare  the  intensity  ratio 

between  the  near  band  edge  luminescence  and  the  yellow  luminescence.  For  Ge 

concentrations of 1.1 x 1020 cm‐3 and below the Ge has almost no effect on the yellow 

luminescence.  With  increasing  Ge  content,  the  luminescence  of  band‐to‐band 

transitions disappears and the yellow luminescence increases relative to the normalized 

intensity of the near band edge luminescence. An increase of the yellow luminescence 

is  an  indicator  for  compensation  although  its  exact  origin  and  the  nature  of  the 

compensation are not known.   The different maxima of  the yellow  luminescence  for 

different Ge concentrations with a difference of up to 300 meV and the not symmetric 

shapes indicate that multiple transitions are involved.  

Page 39: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

33

4.5 Dynamicsandtimeresolvedanalysis

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

101

102

103

104

2.5 x 1020 cm-3

1.1 x 1020 cm-3

4.7 x 1019 cm-3

1.3 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Time (ns)

0

100

200

300

Dec

aytim

e (p

s)

1019 1020 10210.00.51.0

Ge content (cm-3)

Figure 16: Transients (symbols) and biexponential fits (solid lines) of the emissions of the four lowest Ge doped samples measured at the high energy flank of each spectrum. The two insets show the results of the applied fit model (two decay times and the ratio of the amplitudes).   

 

Figure 16 shows the change of the decay of the luminescence at the high energy flank 

for  the  four  lowest  doped  samples.  The  rise  times  of  the  emission  are  below  the 

detection limit (<10 ps) and the decay times are multi‐ or stretched exponential. A non‐

monoexponential  decay  of  the  emission  is  commonly  observed  in  inhomogeneous 

materials like InGaN. In this case the inhomogeneous distribution of Ge in GaN causes 

an inhomogeneous distribution of free carrier concentrations. The value of the beta (β) 

factor (blue triangles in the inset of Figure 16) indicates how strong the distribution of 

Ge atoms  is disordered. For  the usual monoexponential  function  is β = 1. Disordered 

systems  have  values  between  0  and  1, where  the  lower  the  value,  the  higher  the 

disorder or clustering. The fitting results of the measured transients reveal a β value of 

0.94  for  the  Ge  concentration  of  Ge = 1.3 x 1019 cm‐3,  which  is  a  value  close  to  a 

monoexponential decay. With increasing Ge content decreases the β value and reaches 

0.53 at Ge = 2.5 x 1020 cm‐3. 

Page 40: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  34

Increasing  free  carrier  concentrations  cause  screening of excitons and a decrease of 

their binding energy. [11] Once the Mott density  is reached, band‐to‐band transitions 

dominate the emission. Since the band‐to‐band transition probability is smaller than the 

exciton  transition  probability,  the  decay  time  increases with  increasing  free  carrier 

concentration. This effect generally competes with an increase of other recombination 

channels  caused  by  compensation  and  energetically  deep  defects.  The  decay  time 

decreases with increasing Ge content despite the fact that the free carrier concentration 

further  increases.  This  effect  could  be  explained  by  an  increasing  number  of  other 

recombination  probabilities,  like  transitions  over  deep  defects,  e.g.  the  yellow 

luminescence, and non‐radiative  recombination. The  increase of  the NBE  intensity  in 

Figure 14 and the stable intensity of the YL in Figure 15 with increasing Ge content show 

that this is not the case. The only remaining transition is the strong Ge related peak at 

3.468 eV.  

 

 

 

Page 41: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

35

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

101

102

103

104

1.2 x 1021 cm-3

4.0 x 1020 cm-3

1.1 x 1020 cm-3

1.3 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Time (ns)

100

150400

600

t3rise

Dec

aytim

e (p

s)

t2decay

t1decay

1019 1020 10210.000.020.04

Am

plitu

de

ratio

A1/

A2

Ge content (cm-3)

 Figure 17: Transients (symbols) and triexponential fits (solid lines) of the emissions of the four selected Ge doped samples measured at the maximum of the strongest peak around 3.468 eV. The two insets show the results of the applied fit model for all Ge doped samples (one rise time, two decay times and the ratio of the amplitudes of the decay times). Only the highest Ge doped sample shows a mono exponential transient.

 

Figure 17 shows  the  transients of  the strong peak close  to 3.468 eV of  four selected 

samples. The decay time decreases with increasing Ge content and all transitions show 

an increased rise time except for the highest doped sample. Theoretically all transients 

contain a stretched exponential rise time and a stretched exponential decay time, but 

such a fit model requires too much computing power. Therefore a simpler triexponential 

(one rise and two decay times)  fit has been applied. The resulting  fit parameters are 

shown  in  the  inset  of  Figure  17. With  increasing  Ge  content  the  first  decay  time 

decreases, while the second decay time and their amplitude ratio decreases. The rise 

times increase from Ge concentrations of 1.3 x 1019 cm‐3 to 1.1 x 1020 cm‐3 and decrease 

afterwards with increasing Ge content. 

The  increase  in  the  difference  of  the  two  decay  times  and  the  decrease  of  their 

amplitude ratio is basically the same as a decrease of a β value in a stretched exponential 

function. This indicates an increase of disorder or clustering of Ge atoms. 

Page 42: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN   

  36

A decrease of the decay time with increasing Ge content is caused by the increase of the 

yellow  luminescence and non‐radiative recombination. While  increased rise times are 

caused by the transition from the filled conduction band to the Ge related defect band. 

The increase and decrease of the rise times are consistent with the observation of the 

BMS related luminescence in Figure 14. The monoexponential transient of the highest 

Ge doped sample indicates that this emission does not originate from a defect band in 

GaN, but from the conduction band of the ternary semiconductor GeGaN.  

 

4.6 Discussion

The  results of Hall effect, Raman spectroscopy and PL measurements  (Figure 11 and 

Figure 13) show that free carrier concentrations above 1 x 1020 cm‐3 are achievable in 

Ge  doped  GaN.  The  maximum  free  carrier  concentration  is  achieved  at  a  Ge 

concentration of 2.5 x 1020 cm‐3. Compensation effects are barely measurable up to a Ge 

concentration of 1.1 x 1020 cm‐3. From Ge = 1.3 x 1019 cm‐3 to 1.1 x 1020 cm‐3 the free 

carrier  concentration  increases  almost  linear with  the  doping  concentration  and  is 

roughly the same. Raman spectroscopy measurements show a shift of the E2(high) by 

only  0.5  cm‐1  to  higher wavenumbers, which  corresponds  to  0.17 GPa  strain  in  the 

compressive  direction,  and  a  slight  increase  of  the  FWHM  by  0.4  cm‐1,  which 

corresponds to a slight decrease of the crystalline quality. PL measurements show an 

increase of  the  intensity of  the NBE  luminescence with  increasing Ge  concentration 

while the intensity of the YL does not increase. That indicates the number of transitions 

over energetically deep defects does not increase. Also the time resolved measurements 

show no hint of compensation mechanisms. The decay time of the high energy  flank 

decreases with increasing Ge content, but the intensity of the YL does not increase in 

comparison to the NBE luminescence. While the high excitation density measurement 

(Figure 14) shows that the intensity of the NBE luminescence increases with Ge content, 

especially  the  intensity of  the peak at 3.468 eV. These  results  indicate  that  the non‐

Page 43: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

4 Compensation in highly Germanium doped GaN 

37

radiative recombination does not increase, but the recombination probability through 

the Ge related feature at 3.468 eV. 

From a Ge concentration of 2.5 x 1020 cm‐3 a reduction of the intensity NBE luminescence 

is observable, which marks the onset of compensation. Higher Ge concentrations cause 

a  decrease  of  the  free  carrier  concentration  due  to  compensation.  The most  likely 

candidates  for compensation acceptors are VGa and Carbon, due  their  low  formation 

energies at high Fermi energies. Other acceptors like Germanium atoms on a Nitrogen 

lattice site (GeN) are very unlikely to be formed by compensation because of their very 

high formation energy [81]. An increase of VGa and/or Carbon impurities is confirmed by 

the increase of the YL (Figure 15). The sudden shift of the E2(high) mode by 1.5 cm‐1 to 

lower  wavenumbers  and  the  increase  of  the  corresponding  FWHM  by  0.8 cm‐1  at 

6.9 x 1020 cm‐3, indicates a change in the crystalline structure. The transients of the peak 

maximum  around  3.468 eV  (depending  on  the Ge  concentration)  show  a  rise  times 

between 74  and  89 ps,  except  for  the  sample with  the highest Ge  concentration of 

1.2 x 1021 cm‐3. The rise times originate from transitions of carriers from the CB to the 

Ge  related defect band. The absence of a measurable  rise  time,  the  increase of  the 

intensity of the NBE luminescence, the broadening and shift of the NBE luminescence to 

higher energies are collectively characteristic of a degenerated semiconductor. The CB 

states are filled due to the effect of the BMS. The Ge related defect band at 3.468 eV 

broadens  and  its DOS  increases with  increasing Ge  content.  At  the  two  highest Ge 

concentrations of 6.9 x 1020 cm‐3 and 1.2 x 1021 cm‐3  this defect band disappears and 

transforms into a GeGaN band‐to‐band transitions.  

   

Page 44: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  38

5 Electronicexcitationsstabilizedbyadegenerateelectrongasin

highlyGedopedGaN

In chapter 4 it was shown that Germanium is an outstandingly efficient dopant in n‐type 

GaN, but at very high Ge concentrations are compensation effects and a transfer to the 

ternary  semiconductor GeGaN  observable.  The  question  arises, what  happens  if  no 

compensation  effect  occurs  and  how  do  excitons  interact with  a  three  dimensional 

electron gas. To clarify this matter a second set of Ge doped GaN has been investigated. 

This set of Ge doped samples is compared by the means of Raman spectroscopy (chapter 

5.2)  to  a  set  of  Si  doped  samples,  which  has  been  grown  with  the  same  growth 

conditions.  The  interaction  of  excitons  and  other  discovered  quasiparticles  with  a 

degenerated electron gas are shown Chapter 5.3. 

 

5.1 Investigatedsamples

These samples were grown by MOVPE in an AIXTRON AIX 200/4 RF‐S reactor. The (0001) 

sapphire  substrates were  0.25°  off‐oriented  towards  the m‐direction.  All  structures 

consist of an AlN  seed  layer and an AlGaN buffer  layer  followed by an 1.3 µm  thick 

undoped GaN buffer layer. Subsequently, an approx. 1 µm thick doped GaN layer was 

grown. The doped GaN layer was grown at 1075 °C with a trimethylgallium (TMGa) flow 

of  96  µmol/min  and  an  ammonia  flow  of  89 mmol/min  at  200 mbar  in  hydrogen 

atmosphere with a total gas  flow of 7.5 standard  litre per minute  (slm). Silane  (SiH4, 

100 ppm in 6H H2), germane (GeH4, 10% in 6H H2), or isobutylgermane (IBGe) were used 

as dopant sources. The achieved free carrier concentrations were determined by Hall 

effect  measurements  at  room  temperature.  For  three  samples  the  dopant 

concentrations  were  determined  by  secondary  ion mass  spectrometry  (SIMS).  The 

results are listed in Table 4.  

 

Page 45: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

39

Table 4 Free carrier and dopant concentrations of the investigated samples measured by Hall effect and SIMS measurements. 

Sample  Dopant  Free carrier concentration (Hall) 

Dopant concentration (SIMS) 

MD6968  Reference sample  ~ 1.0 x 1017 cm‐3   

MD6960  Germane  2.0 x 1018 cm‐3   

MD6957  Germane  1.5 x 1019 cm‐3  2.2 x 1019 cm‐3 

MD6958  Germane  3.4 x 1019 cm‐3  4.6 x 1019 cm‐3 

MD6983  Germane  5.1 x 1019 cm‐3  7.0 x 1019 cm‐3 

MD7906  Germane  8.9 x 1019 cm‐3  1.8 x 1020 cm‐3 

MD6981  Silane  1.2 x 1018 cm‐3   

MD6977  Silane  1.4 x 1019 cm‐3   

MD6979  Silane  2.2 x 1019 cm‐3   

 

5.2 Ramanspectroscopyresults

5.2.1 InvestigationofstrainandcrystallinequalitybythemeansofRaman

spectroscopy

The  non‐polar  character  of  the  E2  modes  makes  them  an  excellent  choice  for 

determination of strain within a wurtzite crystal. Due to higher intensities of the E2(high) 

mode and a stronger stress  introduced shift   compared  to  the E2(low) mode  in GaN, 

strain in GaN crystals is usually investigated with the E2(high) mode. The position of the 

E2(high) mode of relaxed GaN at room temperature is at 567 cm‐1. [82] If the crystal is 

tensile  strained  this mode  shifts  to  lower wavenumbers.  In  the  case of  compressive 

strain,  it  shifts  to higher wavenumbers. The amount of  strain  can be determined by 

pressure coefficients  for  the applied strain  in a material. The E2(high) mode gives no 

direct information about strain values in a‐ or c‐direction in the crystal. The given strain 

conditions are generally determined by the used growth procedure of the crystal. All 

investigated  samples were MOCVD  grown on  sapphire  and  c‐plane. That means  the 

given strain is biaxial, perpendicular to the c‐axis. The shift of the E2(high) mode in biaxial 

Page 46: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  40

strain in GaN is 2.86 cm‐1 per GPa.  [21] With the knowledge of these values, the strain 

can be calculated from the difference between the relaxed and measured value of the 

E2(high) mode.  

The  investigation  of  the  FWHM  of  the  E2(high) mode  gives  information  about  the 

crystalline  quality  of  the  sample.  The  smaller  the  FWHM  the  lower  the  number  of 

structural and point defects. It is not possible to get an exact value for the number of 

defects, but a qualitative evaluation of the impact of growth technique and doping on 

the crystalline quality. 

400 450 500 550 600 650 700 750 80010-3

10-2

10-1

100

Sapphire

E1(LO)E1(TO)

A1(TO)

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Raman shift (cm-1)

E2(high)

A1(LO)

Sapphire

*

z(..)z

 Figure 18: Room temperature Raman spectroscopy spectra of the reference sample in backscattering geometry. 

 

Figure  18  shows  the  Raman  spectra  of  the  undoped  reference  sample  at  room 

temperature. In the z(..)z geometry, over the 400 to 800 cm‐1 range for GaN, only the 

E2(high) and A1(LO) mode are expected. The additional sapphire modes originate from 

the substrate. The crystal is transparent for the wavelength of the applied laser and the 

focal depth of the applied objective of approx. 4 µm is larger than the thickness of the 

epitaxial grown layers. Therefore the substrate modes are visible. The A1(TO), E1(TO) and 

E1(LO) are forbidden in this geometry. Nevertheless, they are visible due to multiple light 

Page 47: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

41

scatterings within the sample and the large numerical aperture of 0.95 of the objective 

lens.  The  additional  * marked  peak  is most  likely  a  local mode  related  structural 

defects   [83,84]. The E2(high) mode  lies at 569.8 cm‐1 with a FWHM of 2.7 cm‐1. This 

observation indicates a compressive stress of 0.98 GPa and a superior crystalline quality 

if compared to literature values of heteroepitaxial growth.  

 

5.2.2 ComparisonofstructuralpropertiesinSiandGedopedGaN

5.2.2.1 InvestigationoftheE2(high)modesandstress

564 566 568 570 572 574 564 566 568 570 572 574

2.2 x 1019 cm-3

1.4 x 1019 cm-3

1.2 x 1018 cm-3

GaN:nid

8.9 x 1019 cm-3

5.1 x 1019 cm-3

3.4 x 1019 cm-3

1.5 x 1019 cm-3

2.0 x 1018 cm-3

GaN:nid

rela

xed

GaN

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Raman shift (cm-1)

GaN:Ge GaN:Si

rela

xed

GaN

 

 Figure 19: Depiction of E2(high) Raman modes of Ge (left) and Si (right) doped GaN epilayers. The free carrier concentrations ranges from GaN:nid (black curve) to up to 3 x 1019 cm‐3 for the Si and 8.9 x 1019 cm‐3 for the Ge doped layers. 

 

The  influence of Ge and Si doping on the E2(high) modes and therefore on crystalline 

quality and strain is depicted in Figure 19. The two black spectra at the bottom present 

the undoped reference sample. The other  lines originate  from Ge  (left) and Si  (right) 

doped samples with  increasing free carrier and doping concentration from bottom to 

top. Comparable carrier densities in the Si and Ge doped GaN layers are displayed next 

to each other with matching colors. Free carrier concentrations for the Si doped samples 

range  from  1.2 x 1018 cm‐3  to  2.2 x 1019 cm‐3  and  for  the  Ge  doped  samples  from 

Page 48: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  42

2 x 1018 cm‐3 to 8.9 x 1019 cm‐3. This picture clearly shows that the influence of Ge doping 

on the E2(high) mode is much smaller compared to Si. The Ge doped samples exhibit a 

small increase from 2.7 cm‐1 to 3.4 cm‐1 of the FWHM and almost no impact (less than 

0.6 cm‐1) on the position. This indicates that Ge doping has almost no influence on the 

strain  in the doped  layer. The  increase of the FWHMs show a minor decrease of the 

crystalline  quality, which  is  expected with  implantation  of  impurities.  The  Si  doped 

samples, on the other hand, separate into two peaks, which is most clearly illustrated in 

the green spectra with a free carrier concentration of 1.4 x 1019 cm‐3. With increasing Si 

content one peak shifts towards higher wavenumbers maintaining its FWHM, the other 

shifts towards lower wavenumbers with a strong increase of the FWHM up to 4.5 cm‐1. 

The peak at  lower wavenumbers originates  from  the Si doped  layer and  the peak at 

higher wavenumbers  originates  from  the  undoped  buffer  layer.  Si  induces  strain  in 

tensile  direction  and  deterioration  of  the  crystalline  quality.  The  strain  in  tensile 

direction  in Si doped GaN  layers  is commonly attributed to a continuous variation of 

edge‐type dislocations angles with  increasing doping concentration [37,76,77,85–87]. 

The high energy shift of the E2(high) mode in the buffer layer of the Si doped samples is 

caused by compressive stress that  is  introduced by the Si doped top  layer during the 

growth. 

Page 49: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

43

564 566 568 570 5720.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

BufferGaN:nid

Posi

tion

(µm

)

Raman shift (cm-1)

GaN:Ge

a)

564 566 568 570 572

b)

BufferGaN:nid

GaN:Si

 

Figure 20: Comparison of depth profile of E2(high) Raman modes of a Ge doped GaN epilayer with a free carrier concentration of 5.1 x 1019 cm‐3 and a Si doped GaN epilayer with a  free  carrier concentration  of  2.2 x 1019 cm‐3.  These  data  reflects  the development  of  strain  and  crystalline  quality  throughout  the deposited layers. 

 

The Si introduced tensile strain becomes clearly visible in the cross section scan in Figure 

20.  It  shows  the  evolution  of  the  E2(high)  mode  over  sample  thickness.  The 

corresponding spatially resolved spectra are normalized and color‐coded in blue to red, 

indicating  a  rise  in  intensity.  The  measured  Raman  shift  in  cross  section  is  not 

representative for the volume crystal due to relaxation towards the edge in a strained 

crystal. The broken edge leads also to additional structural defects which increase the 

FWHM  compared  to  the  volume  crystal. However,  the  relative  change  of  the  peak 

positions and their FWHMs still reflects the strain variation over the depth of each film. 

The buffer layer of the Si doped sample with a carrier concentration of 2.2 x 1019 cm‐3 

shows a variation of the E2(high) mode’s FWHM in between 3.4 cm‐1 and 5.0 cm‐1, while 

its  energetic  position  close  to  the  nucleation  layer  yields  569.5 cm‐1  and  reaches 

568.2 cm‐1 as soon as the  interface to the Si‐doped  layer  is approached. Within the Si 

doped layer the shift continues to 567 cm‐1.  

Page 50: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  44

Consequently, the Ge doped sample, with a free carrier concentration of 5.1 x 1019 cm‐3, 

shows a small increase of the FWHM from 3.1 cm‐1 to 3.9 cm‐1 and a stable position of 

the E2(high) mode over the whole sample thickness at 569.5 cm‐1. Even though these 

absolute values are not representative for the volume crystal, the relative change of the 

FWHM and position of the E2(high) over thickness shows the differences of Si and Ge 

doping. Si doping does not only affect the doped layer by strain in tensile direction and 

decreased crystalline quality, it also affects the buffer layer. That means the change of 

the inclination angle of edge type dislocations influence the strain conditions in the layer 

below. Ge doping on  the other hand has no  influence at all on  the strain conditions 

within the buffer layer. 

568

570

572

1017 1018 1019 1020

2.53.03.54.04.5

1 cm-1Relaxed GaN 10 K

GaN:nid GaN:Si 300 K GaN:Ge 300 K GaN:Ge 10 K

Pos

ition

E 2(

high

) (cm

-1)

Relaxed GaN 300 K

1.6 cm-1

FWH

M

E 2(hi

gh) (

cm-1)

Free carrier concentration (cm-3)  

 Figure 21: Compilation of positions and FWHMs of E2(high) Raman modes depending on free carrier concentration for Ge and Si doped GaN epilayers. 

 

The  fitting  results  of  the  E2(high)  modes  originating  from  the  doped  layer  of  the 

investigated Ge and Si doped samples at room temperature (Figure 19) and also at 10 K 

for the Ge doped samples are depicted in Figure 21. The upper part shows the evolution 

of the position of the E2(high) and therefore the strain over free carrier concentration. 

While the  lower part shows the evolution of the FWHM of the E2(high) and therefore 

Page 51: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

45

the  crystalline  quality  over  free  carrier  concentration.  Each  data  point  in  the  room 

temperature measurements  represents  the  average of 16 peak positions originating 

from 16 different sample positions. The error bars represent the standard deviation. The 

dashed lines indicate the position of the E2(high) in fully relaxed and undoped GaN at 

300 K (567 cm‐1) and 10 K (568 cm‐1) [82]. The Ge doped samples show a small shift to 

higher wave numbers over free carrier concentration, except for the sample with the 

highest free carrier concentration. The maximum shift (at 5.1 x 1019 cm‐3) in comparison 

to the undoped sample is 0.6 cm‐1, which corresponds to an increase of the compressive 

strain by 0.21 GPa. The FWHM is only increased by 0.3 cm‐1 at this point. The layer with 

the  highest  free  carrier  concentration  (8.9 x 1019 cm‐3)  is  3.6 µm  thick, which means 

2.9 µm thicker than the doped  layers of all other samples. The  increased thickness of 

this layer leads to a stronger curvature of the surface accompanied by a higher number 

of structural defects and therefore the Ge doped  layer of this sample  is slightly more 

relaxed than the thinner ones. The position of the E2(high) mode for this thick layer is 

569.7 cm‐1,  which  within  the  error  of  this measurement  is  the  same  value  of  the 

undoped  sample with 569.8 cm‐1. The  increased value  for  the FWHM of  the E2(high) 

mode to 3.4 cm‐1 for the thick layer is caused by the increased number of defects and 

the change of strain over its thickness. The general small increase of the FWHMs E2(high) 

mode in the Ge doped layers is an indicator for a very small or almost no compensation 

within  this  material.  The  error  bars,  which  indicate  the  standard  variation  of  the 

positions and FWHMs  for all  the measured  spots on each  sample, are mostly below 

0.1 cm‐1. Only the thicker sample has a value of 0.2 cm‐1. That means defect distribution 

within these layers is absolutely homogenous and is not effected by the Ge doping. 

The Si doped samples show a shift to lower wave numbers and an increase of the FWHM 

of  the E2(high) mode over  free  carrier  concentration. With  increasing Si  content  the 

strain in tensile direction, originating from the change of the inclination angle of edge 

type directions,  increases and the crystalline quality decreases drastically as well. The 

highest Si doped sample shows a shift back to higher wave numbers and a decrease of 

the  FWHM.  Doping  with  Si  concentrations  beyond  1019 cm‐3  even  evokes  a  more 

Page 52: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  46

dramatic deterioration of the GaN  layer due to the effect of back etching, yielding an 

immediate surface roughening [88,89]. This indicates that the shift back to higher wave 

numbers is directly correlated to the onset of island growth and surface roughening. A 

comparison of the error bars and therefore the standard deviation of the peaks positions 

and FWHM over the samples show that the Si doped samples generally have a  larger 

difference than the Ge doped samples. Consequently the Si doped samples are much 

more inhomogeneous compared the Ge doped ones. This inhomogeneity increases with 

Si content.  

The Raman measurements at 10 K  show a  shift of  the E2(high) mode  to  lower wave 

numbers by 1.6 cm‐1 for all Ge doped samples. The change of the position of the E2(high) 

mode due to the change of the lattice constant over temperature from 300 K to 10 K in 

GaN is 1 cm‐1. The additional shift of 0.6 cm‐1 comes from additional stress originating 

from  the  sapphire  substrate,  because  of  the  higher  thermal  expansion  coefficient 

compared to GaN. [29] This result shows that the GaN layers are 0.2 GPa more strained 

at  10 K  compared  to  room  temperature.  This  additional  strain  has  to  be  taken  into 

account for calculating the relaxed positions of luminescence peaks in low temperature 

photo luminescence spectroscopy.  

Page 53: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

47

5.2.2.2 InvestigationoffreecarrierconcentrationsandLPPcoupling

400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600

8.9 x 1019 cm-3

5.1 x 1019 cm-3

3.4 x 1019 cm-3

1.5 x 1019 cm-3

2 x 1018 cm-3

GaN:nid

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Ramanshift (cm-1)Figure 22: Raman spectra of all investigated uncompensated Germanium doped GaN samples. The behavior of  the LPP‐ mode with  free carrier concentration  is clearly visible. 

 

Figure 22 shows Raman spectra of the first set of Germanium doped GaN samples and 

the  evolution  of  the  LPP‐ mode with  increasing  free  carrier  concentration.  The  free 

carrier concentrations for each sample are given by Hall effect measurements. In Figure 

23 the position of the LPP‐ mode is drawn against the free carrier concentration for the 

four highest doped  samples. The  solid  lines  show  the calculated position of  the LPP‐ 

mode for a relaxed sample (black line) and for a 1 GPa compressively strained layer (red 

line). The compressive stress has almost no effect on the position of the LLP‐ mode in 

the  range  of  1019 cm‐3  and  results  into  a  shift  of  less  than  2 cm‐1  towards  higher 

wavenumbers at 1020 cm‐3. The comparison of the Hall effect and Raman spectroscopy 

results  shows  a  strong  agreement  in  the  estimated  free  carrier  concentrations, 

especially for the highest doped samples. 

Page 54: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  48

1019 1020440450460470480490500510520530

LPP- (c

m-1)

Free carrier concentration (cm-3)

relaxed 1 GPa compressive strained

 

Figure 23: The solid lines show the calculated undamped position of the LPP‐ mode over free carrier concentration for the relaxed case (black line) and the by 1 GPa compressively strained case (red line). The black dots show of the measured LPP‐ position over free carrier concentration measured by Hall effect measurements. 

 

This indicates that the Hall measurements were not influenced by other layers or surface 

effects and that the influence of plasma damping and strain on the determination of the 

free carrier concentration by LPP coupling is negligible small.  

To  determine  how  efficient  the  doping  of  a  layer  is  for  a  given  growth  procedure, 

secondary  ion mass  spectrometry  (SIMS)  has  been  performed.  SIMS measurements 

allow  for  determination  of  Germanium  concentration  within  the  GaN  layers  over 

thickness as shown in Figure 24.  

Page 55: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

49

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35001017

1018

1019

1020 ~1.8x1020 cm-3

7.0x1019 cm-3

4.6x1019 cm-3

Ge

conc

entra

tion

(cm

-3)

Depth (nm)

MD6957 MD6958 MD6983 MD7906

2.2x1019 cm-3

 

 Figure 24: SIMS measurement results of the four highest Ge doped GaN layers. 

 

The  sample with  the  lowest Ge concentration  (green  line) of 2.2 x 1019 cm‐3  shows a 

homogeneous Ge concentration over the whole thickness. The two samples with the 

medium Ge  concentrations  (blue and  teal) have a decreasing Ge  concentration over 

thickness with a difference of approx. 2 x 1019 cm‐3 between surface and the interface 

to  the  buffer  layer.  The  presented  Ge  concentrations  result  from  the  average  Ge 

concentration  over  the  whole  thickness.  The  sample  with  the  highest  Ge  content 

(magenta  line)  is  five  times  thicker  than  the  other  samples  and  seems  to  be  very 

inhomogeneous  over  thickness.  This  sample  suffers  from  a  higher  concentration  of 

structural defect  such as  v‐pits. These  structural defects  lead  to a more porous  and 

amorphous crystalline structure, which causes a huge error in the determination of the 

Ge concentration (in the range of 4 x 1019 cm‐3). Additionally, the ion beam cuts faster 

in the thicker porous sample than in the thinner ones with a higher crystalline quality. 

This makes the calibration of the correct depth very difficult.  

Page 56: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  50

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

2

4

6

8

10

12

14 Ideal behavior of negligible compensation

LPP- (Raman) Hall effect

Free

car

rier c

once

ntra

tion

(1019

cm

-3)

Germanium concentration (1019 cm-3)  

Figure  25:  Comparison  of  Hall  effect,  Raman  with  SIMS measurements. 

 

The  actual  Ge  concentration  measured  by  SIMS  compared  with  the  free  carrier 

concentration measured by Hall effect and Raman spectroscopy clearly demonstrate the 

degree of compensation within the grown layers, which is shown in Figure 25. A direct 

comparison  of  the  free  carrier  concentrations measured  by  Hall  effect  and  Raman 

spectroscopy shows that both results are very close to each other and within the given 

error  of  the  measurements.  The  solid  line  shows  the  ideal  behavior  of  an 

uncompensated  semiconductor,  where  every  single  dopant  atom  generates  a  free 

electron. The three thin samples with Germanium concentrations below 8 x 1019 cm‐3 

show almost  this  ideal behavior. Only  the  thicker sample with a Ge concentration of 

approx. 18 x 1019 cm‐3, has a much higher doping than free carrier concentration, which 

is caused by compensation. The SIMS measurements give no insight into the energetic 

positions  of  the  Ge  impurities  within  the  band  gap.  The  Ge  atoms  which  do  not 

contribute  a  free  electron  can  be  deeply  bound  or  even  present  in  the  lattice  as 

acceptors.  A  clearer  insight  into  the  nature  of  these  kind  of  impurities  is  given  by 

photoluminescence measurements in chapter 5.3. 

Page 57: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

51

5.3 OpticalpropertiesofuncompensateddegeneratedelectrongasinGaN

The influence of high free carrier concentrations on electronic states in heavily doped 

semiconductors  is well‐known. [10] Rising free carrier concentrations alter the optical 

characteristics  of  the  semiconductor  through  the  Burstein‐Moss  shift [42,43]  (BMS), 

band gap renormalization [35] (BGR), and Pauli blocking of the optical transitions. [44] 

In  the  limit  of  high  free  carrier  concentrations,  decreasing  exciton  binding  energies 

facilitate  a  transition  to Mahan‐like  excitons [51]  at  the  Fermi  edge  singularity. [11] 

Excitonic  excitations  above  the  band  edge  have  already  been  discussed  for  bulk 

systems [90] above  the Mott density [49],  the onset of a metal  like state. The quasi‐

bosonic  character  of  excitons  is  lost  upon  their  dissociation  into  purely  fermionic 

constituents  (electron  and  hole).  The  spatial  confinement  inherent  to 

nanostructures [91–93] like quantum dots [94,95] and quantum wells [96,97] stabilises 

quasiparticle complexes causing distinct optical features even under intermediate free 

carrier  concentrations,  including  trions  in  two‐dimensional  crystals  like  MoS2 

layers. [98,99] 

In this chapter a novel class of exciton like particles, named collexons, will be presented 

and  discussed.  Collexons  can  increasingly  be  stabilized  with  rising  density  of  a 

degenerate electron gas in a bulk semiconductor (GaN) up to 100 K due to many‐particle 

effects. Upon optical excitation  long‐lived  (> 250 ps),  strongly  localized quasiparticles 

are  formed,  which  do  not  only  comprise  a  single  electron‐hole  pair,  but  also  the 

collective  excitation  of  the  entire  degenerate  electron  gas  in  the  high‐density  limit. 

Contradicting the commonly observed behavior of heavily doped semiconductors, the 

entire emission  intensifies and  its decay  time  slows  towards  increasing  free electron 

concentration,  while  the  collexonic  emission  narrows  spectrally,  as  long  no 

compensation  occurs.  Based  on  theoretical modelling  of  this  intricate many‐particle 

problem,  a  model  that  is  consistent  with  all  experimental  findings  is  presented, 

demonstrating  an  increasing  bosonization  of  collexons  with  rising  electron 

concentration.  The  results  confirm  that,  collexons  are  fundamental,  many‐particle 

Page 58: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  52

excitations  in the presence of a degenerate electron gas  irrespective of the particular 

semiconductor host material. 

 

5.3.1 LowtemperaturePhotoluminescencespectroscopy

To study the optical properties of a degenerated electron gas in a highly Ge doped GaN 

all samples have been investigated by photoluminescence (PL) measurements at 1.8K. 

At  first,  the near band edge  luminescence of  the not  intentionally doped  (nid) GaN 

reference sample is shown in Figure 26. 

3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52 3.53 3.54

0.01

0.1

1

FXn=2A FXC

FXB

FXA

DBX2

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

DBX1

 

Figure  26:  PL  spectra  of  the  undoped  GaN  sample  at  1.8  K  in logarithmic scale featuring at least two donor bound excitons (DBX) and  two  free  excitons  (FX) originating  from  the A‐  and B‐valence band.  The two free excitons originating from the excited sate of the A‐valence band and the C‐valence band are weakly visible. 

 

The luminescence of the reference GaN:nid sample is dominated by the luminescence 

of donor bound excitons (DBX). Additionally, two free excitonic contributions are visible 

at 3.5015 eV and 3.5098 eV originating from the A‐ and B‐valence bands. Luminescence 

from  the  C‐valence  (3.533  eV)  band  and  the  excited  state  of  the  A‐valence  band 

Page 59: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

53

(3.521 eV) are barely visible and  just roughly estimated. The donor bound excitons  in 

this energetic regime  in MOCVD grown GaN samples typically originate from Oxygen, 

Silicon,  Nitrogen  vacancies  (VN)  or  Nitrogen  vacancies  Hydrogen  complexes 

(VN‐H). [63,100–103] The positions of the  free excitons are shifted to higher energies 

compared  to  the  relaxed  values  in  GaN  (FXA = 3.4751 eV,  FXB = 3.4815 eV, 

FXC = 3.493 eV). [104]  

The biaxial strain within the GaN  layer has a strong  influence on the band gap value. 

With increasing compressive strain increases the energetic difference between the A‐, 

B‐, and C‐valence band and the conduction band. With the knowledge of the exciton 

deformation  potentials [26]  it  is  possible  to  calculate  the  shift  of  the  excitonic 

luminescence as discussed later in detail with Figure 36.  

The intensity of the free excitons is only two orders of magnitude smaller in comparison 

to the bound excitons and the full width at half maximum (FWHM) of the FXA is below 

3 meV. This  result  confirms  the outstanding  crystalline quality of  the MOCVD grown 

samples. These superior crystalline qualities are generally achieved by hydride vapor 

phase epitaxy (HVPE) or epitaxial lateral overgrowth (ELOG) grown samples. [28,105] 

Page 60: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  54

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.70

1

2 BMS

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

8.9 x 1019 cm-3

5.1 x 1019 cm-3

3.4 x 1019 cm-3

1.2 x 1019 cm-3

2.0 x 1018 cm-3

GaN:nid

BGR

 

 Figure 27: PL spectra of all investigated Germanium doped samples at 1.8 K. The spectra are vertically shifted for clarification. The legend shows the free carrier concentrations for the investigated samples given by Hall effect measurements. 

 

Figure 27 shows the PL spectra at 1.8 K of the undoped reference sample and five Ge 

doped  samples  with  free  carrier  concentrations  ranging  from  3 x 1018 cm‐3  to 

8.9 x 1019 cm‐3 acquired by Hall effect measurements. While  the  luminescence of  the 

not‐intentionally doped sample  is still dominated by donor bound excitons, [100] any 

rise of the Ge concentration (nGe) by intentional Ge doping causes a spectral broadening 

as frequently observed for various semiconductor compounds. [79,106] At a sufficiently 

high free electron concentration, the corresponding Fermi energy passes the conduction 

band  and  causes  above  band  gap  luminescence  due  to  the  BMS [42,43], while  the 

simultaneous extension of the  luminescence towards  lower energies  is caused by the 

BGR [47]. The corresponding critical carrier density is the Mott‐density, which is about 

n = 7 x 1018 cm‐3 – 1 x 1019 cm‐3 in GaN. [32,50] 

Page 61: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

55

3.485 3.490 3.495 3.500 3.505 3.5100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

XU

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

8.9 x 1019 cm-3

5.1 x 1019 cm-3

3.4 x 1019 cm-3

XL

 

 Figure 28: PL spectra of the two peaks XL and XU of the three highest Ge doped samples without the PL of band‐to‐band transitions. The spectra are shifted vertically for clarity.  

 

Despite the present high doping level, two pronounced peaks stand out at free carrier 

concentrations from 3.4 x 1019 cm‐3 and above, labelled XL and XU (see Figure 28). The 

energetic positions, FWHMs and energetic differences are given in Table 5. The emission 

lines with such  low FWHM values between 4 and 9 meV,  represent a highly unusual 

observation at these high doping levels. Contributions from any luminescence from the 

underlying buffer layer of pure GaN can be excluded as shown in the following chapter 

by  cross‐section  and  depth‐resolved  cathodoluminescence.  Inhomogeneities  in  the 

doped layer, which cause local doping free areas, can be excluded as well, as evidenced 

in the Raman spectroscopy results.  

 

Page 62: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  56

Table 5: Stress values, energetic positions, FWHM and difference of XL and XU for the three highest  doped  samples.  The  stress  values  are  extracted  from  the  Raman  spectroscopy measurements, the PL values are extracted from Figure 28. 

Free carrier concentration n (× 1019 cm‐3) 

Stress at 10K (GPa) 

XL position 

Ε ∗(eV) 

XU position  

E  (eV) 

E  ‐ Ε ∗  (meV) ↓ 

XL FWHM  (meV) ↓ 

XU FWHM  (meV) ↓ 

3.4 1.26 3.4914 3.5045 13.1 ± 0.3 8.8 ± 0.1 6.8 ± 0.2 5.1 1.33 3.4923 3.5052 12.9 ± 0.3 9 ± 0.1 6.0 ± 0.1 8.9 1.12 3.4897 3.5014 11.7 ± 0.3 7.8 ± 0.1 4.0 ± 0.1

A comparison of the positions of XL and XU, their energetic differences and FWHM for 

the  three  samples  given  in  Table  4  reveals  their  dependence  on  free  carrier 

concentration and stress. The positions of XL and XU are mainly influenced by the stress 

within the Ge doped  layer, but their energetic difference shrinks with  increasing free 

carrier concentrations. That means both peaks are influenced by stress and free carrier 

concentration or alternatively just one peak is influenced by stress while the position of 

the second is determined by the free carrier concentration. The FWHM of both peaks 

show a similar behavior. Whereas the FWHM of XL seems mainly be related to stress XU 

is mostly related to the free carrier concentration, where the FWHM of XL increases with 

increasing  stress  and  the  FWHM  of  XU  decreases  with  increasing  free  carrier 

concentration. The strong narrowing of the  linewidth of XU  from 6.8 meV to 4.0 meV 

indicates a stabilization mechanism of XU by the electron gas. This means the effect of 

the varying strain level in all samples is partially reflected by the linewidths trend related 

to XL that  is  influenced by the strain  level  in the GaN:Ge  layers and the free electron 

concentration. 

Within  the present work, minor strain variation  the energetic FWHM of XL rises with 

increasing biaxial  stress. Wagner et  al.  found  a  similar behavior  for bound  and  free 

excitons  in ZnO. [107,108] Therefore, the  linewidths of XL exhibits a maximum for the 

sample  with  a  free  electron  concentration  of  5.1 x 1019 cm‐3  as  a maximal  bi‐axial 

compressive  stress  of  1.33 GPa  occurs.  Any  further  rise  of  the  free  electron 

Page 63: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

57

concentration leads to a decrease in the linewidths as the beneficial stabilization effect 

by exchange overcompensates the detrimental strain effects. 

 

5.3.2 Crosssectionanddepthresolvedcathodoluminescence

3.2 3.3 3.4 3.5 3.60.0

0.5

1.0

1.5

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

PL low excitation power PL high excitation power CL cross-section

(close to GaN:Ge surface) CL cross-section

(GaN buffer layer)T = 8 K

XL

XU

x10

DBX

 

 Figure 29: Comparison of cross section CL of the buffer layer and the Ge doped layer with in‐plane PL of the Ge doped layer at 8 K. 

 

To  prove  that  the  luminescence  of  XU  and  XL  originates  from  the  Ge  doped  layers 

cathodoluminescence  (CL)  spectroscopy  has  been  applied.  Figure  29  shows  a 

comparison of cross section CL measurements of the Ge doped layer and the undoped 

buffer layer and in‐plane PL measurements with high and low excitation power densities 

of the highest doped and thicker sample. The undoped buffer  layer exhibits a strong 

emission originating from donor bound excitons (DBX), similar to the GaN:nid reference 

sample  in  Figure  26.  The  positions  of  the DBX  have  an  energetically  lower  spectral 

emission compared to XU and XL. This proofs that to XU and XL do not originate from the 

buffer  layer besides the face that the penetration depth of PL measurements with an 

excitation wavelength of 325 nm is below 80 nm. [109] Nevertheless the peaks XU and 

XL are much less pronounced in comparison to the PL measurements with low excitation 

Page 64: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  58

power. Also the broad emission band at 3.42 eV disappeared. These differences can be 

explained by  the high excitation power PL measurements with a quadrupled, pulsed 

Nd:YAG  laser.  The  emission  at  3.42  eV  does  not  increase  in  intensity with  exaction 

power, that means it saturates and originates most likely from structural and/or multiple 

point defects. The background  luminescence of band‐to‐band  transitions gains more 

intensity over excitation power density as the XU and XL.  

3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 3.50 3.55 3.60

XL

30 kV20 kV10 kVIn

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Energy (eV)

2 kV

XUCL

sign

al s

treng

th

0 500 1000 1500 2000

sapp

hire

GaN

Buf

fer

GaN

:Ge

Depth (nm)

surfa

ce

 Figure  30: Depth‐resolved  cathodoluminescence  spectra of the Ge‐doped sample with free carrier concentration of 5.1 x 1019  cm‐3 at 77 K. The excitation voltage has been varied  from 2  to 30 kV. The spectra are normalized and stacked. The inset shows the CL signal strength over depth depending on the excitation voltage. 

 

With  depth  resolved  CL measurements  it  is  possible  to  investigate  the  change  of 

luminescence in‐depth within a sample. The inset of Figure 30 shows the strength of the 

CL signal in‐depth for the investigated sample structure. For voltages below 10 kV only 

CL  from  the Ge doped  layer  is measurable. CL originating  from  layers below  the Ge 

doped layers can only be observed with higher voltages as long as it is not absorbed by 

the Ge doped  layer. An  increase  from 2  to 30  kV does not  show any  change  in  the 

Page 65: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

59

position or intensity of the peaks XU and XL and no additional peaks are visible. Only a 

small change in the slope of the high energy flank of the luminescence is observed which 

becomes steeper with increasing excitation voltage. 

The unchanged peak intensity of XU and XL in comparison to the band‐to‐band transition 

with depth proves that these peaks originate from the Ge doped layer. They do neither 

originate  from  the buffer  layer nor are  they  related  to surface effects.  If  they would 

originate from the buffer layer, they were not visible for excitation voltages below 10 kV. 

Additionally, if they were related to surface effects their intensity would diminish with 

increasing excitation voltage.  

The change of the slope on the high energy flank of the luminescence can be explained 

by the change of Ge concentration in‐depth as shown in Figure 24. With decreasing Ge 

concentration in‐depth decreases as well as the free carrier concentration in‐depth and 

the BMS. The excitation volume of the luminescence origin in‐depth increases with the 

accelerating voltage. Consequently, the change of the BMS in‐depth leads to a smeared 

out high energy flank of the luminescence at higher excitation voltages. 

 

5.3.3 Absorptiondeepdefects

The  investigated  samples  show no  sign of any compensation mechanism up  to a Ge 

concentration of 7 x 1019 cm‐3 and only the onset of such an effect at 1.8 x 1020 cm‐3, as 

illustrated  in  Figure  25.  The  Hall  effect  measurements  were  applied  at  room 

temperature,  but  the  increase  of  free  carrier  concentration  over  temperature  is 

negligible  for  degenerated  semiconductors. [30]  That means  almost  every  Ge‐atom 

contributes a free electron up to a Ge concentration of 7 x 1019 cm‐3, before the onset 

of compensation and passivation occurs. 

Further evidence for the low compensation level in the GaN:Ge samples is provided by 

photoluminescence and  transmission measurements over a broad energy  interval as 

shown in Figure 31. The sample with the second highest Ge concentration with a free 

Page 66: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  60

electron concentration of 5.1 x 1019 cm‐3 exhibits an almost identical transmission up to 

the  Fermi‐edge  when  compared  to  the  GaN:nid  reference  sample  with  the  same 

thickness. The transmission modulation in Figure 31 is caused by Fabry‐Pérot oscillations 

due  to  the  particular  layer  stack  within  samples.  No  trace  of  any  defect‐induced 

absorption  in the visible range  is noticeable [110] for this free electron concentration  

(5.1 x 1019 cm‐3) as the transmission features an almost flat characteristic over the broad 

energy  interval. A multitude of doping approaches  is  known  to produce  the defects 

responsible for the so‐called, yellow and blue defect luminescence in GaN, [63] which 

are  both  not  pronounced  in  this  sample.  The GaN:Ge  sample with  the  highest  free 

electron  concentration  exhibits  a   15 %  reduced  transmission  due  to  the  onset  of 

compensation and defect formation (e.g. induced by V‐pits).  

 

2.0 2.5 3.0 3.5

1

10

100

Nor

m. P

L in

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Tran

smis

sion

(%)

Energy (eV)

Transmission (GaN:nid)

Transmission (GaN:Ge - 5.1 x 1019 cm-3

Transmission (GaN:Ge - 8.9 x 1019 cm-3

Photoluminescence (5.1 x 1019 cm-3)

T = 300 K

 

Figure 31: Transmissions of the GaN:nid (red line) and two highly Ge doped sample (blue and green line) at 300 K, and a PL spectra of one Ge doped sample at 300 K.  

 

Nevertheless, the entire transmission characteristic is still comparably flat over a wide 

energy interval without any distinct traces of defect‐related bands that would lower the 

transmission. The level of compensation due to the influence of defects is minor in all 

Page 67: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

61

samples except for the sample with the highest doping concentration, which marks the 

onset of compensation. 

 

5.3.4 Dynamicsandtimeresolvedanalysis

1E18 1E19 1E200

50

100

150

200

250

300

350

T = 1.8 K

10 GW/cm2

10 MW/cm2

Fermi-edge energy (100 W/cm2)

Dec

ay ti

me BM

S (p

s)

Free electron concentration (cm-3)

Fermi edge sh

ift

decay t

ime tre

nd

3.45

3.50

3.55

3.60

3.65

3.70

Ferm

i-edg

e en

ergy

(eV

)

 

 Figure  32:  Decay  times  of  band‐to‐band  transitions  at  excitation power densities of 10 GW/cm² and 10 MW/cm² and the shift of the Fermi‐edge over free carrier concentration. 

 

Since  the  band‐to‐band  transition  probability  is  smaller  than  the  exciton  transition 

probability, slower decay times are expected. [111] This change  is visible  in the time‐

resolved photoluminescence (TRPL) measurements below and above the Mott density. 

With  increasing  free  carrier  concentration,  excitons  become  screened  and  the 

recombination of free electrons with free holes becomes more plausible. [11] This leads 

to an increase of the decay time with free carrier concentration. The temporal evolution 

of the high energy luminescence affected by the Burstein‐Moss‐shift (BMS) can be most 

efficiently  compared among all analyzed  samples  if  the  Fermi‐edge  is  chosen as  the 

spectral measurement position. Figure 32 depicts a comparison of the decay times close 

to the Fermi edge for two excitation powers (10 MW/cm² and 10 GW/cm²) and the shift 

Page 68: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  62

of  the Fermi edge over  free carrier concentration. The position of  the Fermi edge  is 

estimated from the shift of the high energy flank in PL measurements Figure 27. For the 

low excitation regime (in this case 100 W/cm²) the Fermi energy can be estimated by 

the saddle point of the high energy flank of each PL spectra. [79] Higher excitation power 

densities  lead  to  an  additional  blue  shift  (not  shown)  and  an  increased  decay  time 

caused by band  filling. The constantly  increasing decay  time and BMS shift over  free 

carrier concentration shows that there is no or a negligible small increase of impurities, 

which would increase the non‐radiative recombination or compensation.  

0 1 2 3 4 510

100

1000

10000

100000

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Time (ns)

3.45 3.50 3.55 3.60

Inte

nsity

(arb

. u.)

Energy (eV)

0

50

100

150

200

250

300

Dec

ay ti

me

(ps)

 

 Figure 33: Transients of three emission regimes (XL in red, XU in blue and band‐to‐band transmission background in green) of one GaN:Ge sample (5.1 x 1019 cm‐3) and the energy dependent life times over the whole emission spectra in the inset 

 

A comparison of transients of different energetic regions of the spectral emission of the 

GaN:Ge sample with the free carrier concentration of 5.1 x 1019 cm‐3 is shown in Figure 

33. All three transients seem to be mono exponential and transient of XU (blue) and the 

BMS background (green) are almost identical. Only the transient of XL (red) has a slightly 

longer  decay  time.  The  inset  shows  the  corresponding  PL  spectra  for  taken  TRPL 

measurements. The black squares mark the energy dependent decay times for a mono 

Page 69: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

63

exponential decay of the  luminescence. In the green area the decay times are almost 

stable and lie at 307 ps (±2 ps), for blue at 305 ps and for red at 319 ps. In the spectral 

BGR regime the decay times decrease slowly towards lower energies. Towards the Fermi 

edge the decay times decrease much more drastically and reach 216 ps near the Fermi 

edge.  

The absence of an obvious visible second decay time means that XL and XU must have 

similar decay times to the background luminescence originating from the band‐to‐band 

transitions. To extract the pure transient of XL and XU without the contribution of the 

band‐to‐band transitions, the transient from the BMS (green area)  is subtracted from 

the  transients measured  at  the  positions  of  XL  and  XU  (red  and  blue).  The  resulting 

transients including the fit results are plotted in Figure 34. 

 

0.0

0.5

1.0

T = 5 K, P = 0.3 kW/mm2

XU: Udecay = 267 ps

XL: Ldecay = 303 ps

Lrise = 104 ps

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

n = 3.4 x 1019 cm-3

0.0

0.5

1.0 n = 5.1 x 1019 cm-3 XU: Udecay = 281 ps

XL: Ldecay = 344 ps

Lrise = 68 ps

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.750.0

0.5

1.0 n = 8.9 x 1019 cm-3 XU: Udecay = 305 ps (2nd decay: 31 ps)

XL: Ldecay = 303 ps (2nd decay: 46 ps)

Lrise = <10 ps

Decay time (ns)Figure 34: Time‐resolved Photoluminescence analysis of XU and XL for three doping concentrations. The transients are plotted on a linear scale for a clear depiction of the rise times. 

 

The extracted transients of XL and XU reveal a clear trend over free carrier concentration. 

Not only the decay times of the BGR‐ and BMS‐luminescence increase with rising doping 

concentration (see Figure 32), also the decay times of XU (τ ) and XL (τ ) follow 

Page 70: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  64

this trend. While the high energy peak (XU) features a fast rise time (τ  < 10 ps) in all 

transients, its low energy counterpart (XL) exhibits a well‐resolvable rise time τ  that 

diminishes with rising doping concentration. The solid lines in Figure 34 represent the 

results  of  biexponential  (consideration  of  rise  and  decay  times)  fitting  model 

(n = 3.4 x 1019 cm‐3 and 5.1 x 1019 cm‐3), while only the highest doped sample required 

the inclusion of a second decay time due to the onset of compensation and structural 

defect  formation. [100]  Also  the  reduced  decay  time  of  the  highest  doped  sample 

(n = 8.9 x 1019 cm‐3)  in comparison  to  the  lower doped sample  (n = 5.1 x 1019 cm‐3)  is 

most likely caused by the increased compensation (cf. chapter 5.2.2.2). The decay times 

of  the  XL  and  XU  excitations  surpass  the  value  of  the  background  BGR‐  and  BMS‐

luminescence,  indicating  a  localization  mechanism  induced  by  the  Fermi  sea  of 

electrons. 

 

Page 71: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

65

5.3.5 Excitationchannels

3.40 3.45 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52 3.53 3.540.60.70.80.91.0

XUA (n=2)

XUC

Energy (eV)

T = 1.8 K,P = 0.1 W/mm2,n = 8.9 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

XUB

-100 -50 -20 -10 0 10 20 30

1.0

2.0

3.0

4.0XU

A (n=2)

PL

3.4 x 1019 cm-3

5.1 x 1019 cm-3

Energy (meV)

XU

XL

8.9 x 1019 cm-3

x 2.5

x 10

PLE

 

 Figure 35: Photoluminescence excitation  (PLE)  spectra  (top) along with the corresponding photoluminescence spectrum (bottom). All PLE  spectra  are  shown  in  energetic  difference  in  regard  to  the energetic position of XU at the given free electron concentration in order to eliminate the influence of strain. The PLE spectra are color matched with their corresponding detection energy (dashed lines). 

 

The  lower part of Figure 35 shows a section of the PL spectrum of the highest doped 

sample including XL, XU and the near band edge broad defect band luminescence. The 

upper part  shows PLE  spectra of  the highest doped  sample with detection energies 

indicated by the dashed  lines  in the PL spectrum (green = defect  luminescence, red = 

spectral position of XL, blue = spectral position of XU). Additionally, there are two PLE 

spectra of the two lower doped samples (n = 3.4 x 1019 cm‐3 and 5.1 x 1019 cm‐3). All PLE 

spectra are depicted in energetic difference in regard to energetic position of XU at the 

given  free  electron  concentration  in  order  to  eliminate  the  influence  of  strain.  The 

influence of varying strain levels is explained in the following Figure 36. The green and 

Page 72: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  66

the blue PLE spectra are increased by the factors 2.5 and 10 respectively. None of the 

spectra are shifted vertically.  

The PLE spectrum of XU (blue) features only one excitation channel ( ) comprising 

a hole from the A‐valence band and an electron in the first excited state of the exciton‐

like complex, a situation similar to the excited A‐exciton in high‐quality, undoped GaN 

samples.  [26,28,112] In contrast, the PLE spectra related to XL (red ‐ color gradient) are 

much less perturbed due to the enhanced localization. That means, in the high energy 

regime, two additional excitation channels appear, comprising holes from the B‐ ( ) 

and C‐ ( ) valence band along with an electron in the ground state.  

In  addition,  close  to  resonant  excitation  of  XU  boosts  the  intensity  of  XL,  driving  a 

quasiparticle transformation process, whose dynamics is quantified by the rise time of 

XL  (τ   extracted  from  the  time‐resolved  analysis  (Figure  34).  Interestingly,  the 

intensity of the excitation channel related to XU rises with doping concentration, while 

the entire PLE spectrum of XL gets more distinct. This observation,  in addition to  the 

particular  scaling behavior of  the  rise  time with doping  concentration,  supports  the 

identification of XU and XL as the exciton‐like collexon, and the four‐particle complex, 

the bicollexon, both stabilized by the Fermi sea. 

Shifting the PLE detection towards lower energies (e.g. 3.425 eV) yields a PLE spectrum 

that exhibits resonances in close energetic vicinity to XU and XL. The shift between the 

maxima of the PLE spectra related to XU and the corresponding PL features rises towards 

higher  energies  with  increasing  free  electron  concentration.  In  addition,  a  similar, 

electron‐density‐dependent shift can be observed for all excitation channels related to 

X , X   and  X .  The  PLE maximum  related  to  XL  is  also  shifted  towards  higher 

energies  when  compared  to  its  PL  counterpart  as  evidenced  in  the  PLE  spectrum 

associated to the defect band situated at 3.425 eV. Similar shifts between PLE and PL 

maxima  have  been  attributed  to  self‐absorption  processes  often  related  to  donor‐

acceptor‐pair luminescence in, e.g., GaN [100] and CdS  [113]. In this case, any excitation 

Page 73: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

67

energy in close resonance to XU promotes the generation of XL related complexes scaling 

with  free  electron  concentration  due  to  an  intensification  of  the  closely  related 

scattering  process  quantified  by means  of  τ .  The  pronounced  generation  of  XU 

complexes at the GaN:Ge sample’s surface also promotes the absorption of  light that 

arises  from the decay of XL by means of XU dissociation, a process similar to  infrared 

absorption of free excitons in Si and Ge that shows an absorption extension towards the 

free excitonic  continuum. [114,115] The most efficient generation of XL via  the  total 

resonant excitation of XU complexes is not necessarily accompanied by a maximum in PL 

intensity  as  the entire process  is  counterbalanced by  a  self‐absorption process.  It  is 

exactly this subtle balance between close to resonance excitation and self‐absorption 

processes that governs the particular structure of the PLE spectra shown in Figure 35. In 

this picture  it  is also possible  to understand  the electron‐density‐dependency of  the 

maximum in the PLE spectra related to XL. As long as the scattering process that feeds 

XL  via XU  is  of  limited  efficiency due  to  a  comparably  low number of  free  electrons 

(3.4 x 1019 cm‐3),  the  self‐absorption  process  is  negligible  and  only  a minor  shift  in 

between the maximum in the PLE and PL spectrum occurs. However, as soon as the free 

electron concentration rises, the resonant excitation of XL via XU becomes increasingly 

efficient  as  the  underlying  scattering  processes  are  enhanced  (5.1 x 1019 cm‐3  and 

8.9 x 1019 cm‐3). A closer look to the PLE spectrum of the defect‐related band (3.425 eV) 

in Figure 35 even shows that the offset between the PLE and PL maxima is here more 

pronounced for XL. Here, XL constitutes the supreme excitation channel of this defect‐

band as the strongest sign of a self‐absorption process is observed, despite the fact that 

both excitation channels related XU and XL show similar intensity in the PLE spectrum. A 

detailed  analysis  of  the microscopic  origin  that  balances  the  intensity  ratio  for  this 

defect‐band goes beyond the scope of the present thesis and must remain a task for 

future work. 

Nevertheless,  the  assignment  of  the  luminescence  peaks  to  the  corresponding 

excitation  channels  is  apparent  from  Figure  35,  showing  that  holes  from  the  three 

topmost valence bands contribute to XL, while the complexes related to XU possess an 

Page 74: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  68

efficient conversion pathway towards XL. Naturally, both complexes can dissociate and 

therefore  contribute  to  any  luminescence  at  lower  energies  as  their  components 

(electrons and holes) relax towards the corresponding defect bands. 

 

5.3.6 Strainintroducedshift

1.3 1.4 1.5 1.6 1.73.49

3.50

3.51

3.52

3.53

3.54

3.55

XU XU

B XU

A (n=2)

XUC

C-VB-related

(n = 2)A-VB-related

B-VB-related

Ref. [X]

8.9

x 10

19 c

m-3

5.1

x 10

19 c

m-3

Ener

gy (e

V)

zz (x 1000)

3.4

x 10

19 c

m-3

GaN

:nid

(free

exc

itons

)

A-VB-related

T = 1.8 K,P = 0.1 W/mm2

 

Figure 36: A comparison of the theoretical biaxial strain related shift of GaN exciton emissions with exciton emissions and exciton‐like recombination channels measured by PL and PLE. The solid lines represent the shift of the free  excitonic  emissions  related  to  the A‐, B‐,  C‐valence  band  and  first excited  state of  the A‐exciton  over  biaxial  strain,  calculated  by  exciton deformation  potentials.  The  rectangles  show  the  positions  of  the  free exciton emission of the GaN:nid sample. The circles show the positions of the exciton  like emissions and  recombination channels of  the highly Ge doped  samples.  The  strain  values  are  given  by  Raman  spectroscopy measurements. 

 

The strain variation  in the germanium doped samples  is discussed  in detail  in chapter 

5.2.2.1 based on Raman spectroscopy. The E2(high) mode can be used to derive,  the 

corresponding strain tensor component ε  based on a set of stiffness constants   [26] 

and phonon deformation potentials. [21] Figure 36 correlates the change of the c‐lattice 

constant ε  for the GaN:nid sample (triangles) with the free exciton transition energies 

Page 75: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

69

related to the A‐ (grey), B‐ (light red), and C‐ (light blue) valence band in addition to the 

first excited state of the A‐exciton (light green, n = 2). For the GaN:nid sample a perfect 

agreement  between  the  free  exciton  transition  energies  derived  from  PL  and  PLE 

measurements is observed.  

Figure  36  summarizes  the  energy  of  all  XU‐related  excitation  channels  from  PLE 

measurements (circles) observed for the three highest doped GaN:Ge samples, in direct 

relation to the strain tensor element ε . As  introduced  in Figure 35, these excitation 

channels of XU stand in close relation to the three topmost valence bands of GaN and 

are  labelled  accordingly, where X , X   and  X . X  denotes  the excited  state 

excitation  channel  (n = 2)‚  related  to  the A‐valence band. Based on Ref. [26],  all  ε  

values can be translated into corresponding free‐exciton emission energies as shown in 

Figure 36  (solid  lines). The Ge doped samples with  free carrier concentrations below 

3.4 x 1019 cm‐3  do  not  show  any  similar  luminescence  features.  As  a  result  of  this 

comparison,  it  is apparent  that  the absolute energetic positions of all PLE excitation 

channels are dominated by the varying strain level in the samples, an observation that 

also  directly  applies  for  all  emission  energies  derived  from  PL  measurements. 

Nevertheless, especially  for  the  sample with  the highest  free electron  concentration 

(8.9 x 1019 cm‐3) one observes  an  additional  shift of  the  excitation  channels  towards 

higher  energies  in  comparison  to  the  expected  values  based  on  the  strain  level 

determined by Raman spectroscopy (solid lines). This phenomenon can be related to the 

offsets between PL and PLE resonances as shown in Figure 35.  

In addition any offsets in Figure 36 are caused by the fundamentally different physical 

origin  of  free  excitons  and  collexons  leading  to  deviating  electronic  deformation 

potentials. In both cases an influence for the strain dependence of the valence bands is 

directly demonstrated. 

 

Page 76: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  70

5.3.7 Excitationenergydependentphotoluminescenceandreflection

3.46 3.48 3.50 3.52 3.54 3.56 3.58 3.60 3.62 3.6410

100

1000

10000In

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Energy (eV)  

 Figure 37: Photoluminescence excitation spectra and reflected light of  the XBO  lamp of  the highest doped  sample. The high  intensity peak on the high energy side of each spectrum originates from the excitation source and marks the excitation energy. The change of the whole  spectrum  and  the  amount  of  the  reflected  light  over excitation energy becomes visible. 

 

The change of the whole PL spectra over excitation energy is shown in Figure 37. The 

major difference  to  the PLE spectra shown  in Figure 35  is  the excitation source. The 

monochromatic XBO lamp has an excitation power density of 0.1 W/cm² and is therefore 

more than two orders of magnitude weaker than the applied dye Laser or the HeCd Laser 

as shown  in Figure 35 and Figure 27. Nevertheless has the PL spectrum for excitation 

energies above the Fermi edge (violet spectrum) the same shape as for the HeCd Laser, 

which means the difference in the excitation power is in this case negligible. Decreasing 

excitation energies  cause a number of  changes  to  the whole PL  spectrum. The high 

energy flanks of the PL spectra shift towards lower energies with decreasing excitation 

energy, because only transitions below the excitation energy are generated. Excitation 

energies close to the Fermi edge (dark and light blue spectra) cause an increase of the 

PL intensity. This effect is caused by an increased absorption and is known as the Fermi 

Page 77: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

71

edge singularity. [51] This singularity of the absorption arises from the growing Fermi 

surface and  the modification of  the effective electron‐hole attraction due  to  the CB 

filling. [11]  

Excitation  energies  below  the  Fermi  edge  (yellow  and  orange  spectra)  lead  to  the 

disappearance of the band‐to‐band transition luminescence, while the luminescence of 

XL and XU remains visible. The intensity of XL stays roughly the same and the intensity of 

XU is strongly decreased in comparison to over Fermi edge excitations. The reason for 

the change of the  intensity  is not clear. However,  it seems as  if XU  is more efficiently 

generated  via over  Fermi edge excitation  and XL  is  less dependent of  the excitation 

energy. The TRPL and PLE measurements as shown in Figure 34 and Figure 35 reveal a 

transfer process from XU to XL,  including that a decrease of the  intensity of XU should 

also lead to a decrease of XL. Accordingly this transfer process from XU to XL is strongly 

enhanced for under Fermi edge excitation and supports the many particle  interaction 

theory as explained later in the discussion in 5.4.  

Once the excitation energy approaches the energetic position of XU the intensity of XL 

increases in the same manner as for the PLE measurements with the dye laser (Figure 

35). Additionally, the intensity of the detected excitation source is increased as well, but 

by one order of magnitude stronger that the luminescence of XL. The same behavior for 

the intensity of the detected light from the excitation source is visible for the energetic 

position of XU. Contributions of the luminescence to the increase of the detected light 

from the light source are negligible small, because the luminescence is more than two 

orders of magnitude  smaller. Consequently  the  reflection  from  the  sample’s  surface 

increases in vicinity of XU and XL. This effect is known from reflection measurements of 

free excitons. [28] 

The only difference  to  conventional  reflection  spectroscopy  is  that  the  angle of  the 

optical pathway of the excitation and detection to the surface normal is not the same. 

This unusual configuration is unfavorable for high quality reflection spectra. However, it 

Page 78: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  72

facilitates for the omission of Fabry‐Pérot interferences, which are very strong for the 

given sample structure, and would strongly interfere with the reflection spectrum.   

3.44 3.46 3.48 3.50 3.52 3.54 3.56 3.58 3.60

0.6

0.8

1.0

1.2T = 3.5 K,P = 0.1 W/cm2,n = 8.9 x 1019 cm-3

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Energy (eV)

Photoluminescence Reflection

XL XU

-300-250-200-150-100-50050100150200250300

R/

E (a

rb. u

nits

)

 

 Figure 38: The change of the reflectivity over Energy of the highest doped sample in comparison to the above Fermi edge excitation PL spectra. 

 

Figure 38 contains a PL spectrum of the highest doped sample with above Fermi edge 

excitation  (black  line)  and  reflectivity  data  (green  line).  As  the  back  reflected  lamp 

intensity  is  continuously monitored  during  the  recording  of  the  polychromatic  PLE 

spectra,  a  reflectivity  spectrum  can  easily  be  extracted.  A  pronounced  change  in 

reflectivity is observed in close energetic vicinity to the spectral position of XU and XL in 

the PL spectrum. Such behavior is known for complexes like free excitons causing major 

reflectivity  changes  in  contrast  to  classical  bound  excitons. [28]  This  observation 

supports the interpretation of XU and XL as an exciton like quasiparticles unaffected by 

impurities, like Ge‐donors. Figure 38 indirectly proves that neither XL nor XU arise from 

the buffer  layer underneath  the GaN:Ge  layer. Any  luminescence contribution of  the 

GaN buffer  layer would always be dominated by bound‐excitonic  luminescence  that 

Page 79: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

73

stands  in  stark  contrast  to  the  strong  change  in  reflectivity.  At  this  point,  low‐

temperature ellipsometry measurements are a task for future work. 

 

5.3.8 Thermalization

0 5 10 15 20 25 300.01

0.1

1

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Temperature (100/K)

BMS: 23.6 meV and 7.6 XU: 23.4 meV and 4.4 XL: 18.3 meV and 1.8

n = 8.9 x 1019 cm-3

P = 0.1 W/cm2

3.5 K

75 K

3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52

5

10

15

20

25

Energy (eV)

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

 

 Figure  39:  The  Intensity  of  XL,  XU  and  the  band‐to‐band  transition  luminescence  over temperature of the highest doped sample in an Arrhenius plot (symbols). For each fit (solid lines) are two activation energies used. The inset shows the development of XL and XU over temperature. 

 

The  exciton  like  character  of  XL  and  XU  is  confirmed  by  their  rapid  thermalization 

behavior as shown in the inset of Figure 39. Both emission bands vanish simultaneously 

with increasing temperature, while the Burstein‐Moss shifted background luminescence 

of  band‐to‐band  transitions  remains  comparably  stable.  Figure  39  summarizes  the 

corresponding  thermalization behavior of XL, XU,  and BMS  in  an Arrhenius‐plot.  The 

trend  of  diminishing  intensity  with  rising  temperature  is  fitted  in  accordance  to 

Ref.   [116]  under  consideration  of  two  separate  thermal  activation  energies.  The 

background of  the band‐to‐band  transitions  is most  robust against all  thermalization 

Page 80: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  74

processes, while XU and XL thermalize more rapidly. This behavior can be understood as 

soon as the particular physical origin of XL and XU as a bicollexon and a collexon is taken 

into account. The liberation of one of the constituents (electron or hole) of the individual 

many‐particle complex always  leads to a complete dissociation of XL or XU. Hence, an 

increasing number of particles that form the underlying excitonic complex (collexon  

bicollexon)  increase  the  susceptibility  to  thermalization.  Hence,  XL  exhibits  smaller 

thermal activation energies than XU, while the BMS luminescence constitutes the most 

simplistic and therefore the most resistant luminescence with increasing temperature. 

More detailed studies of this particular temperature dependency must be undertaken 

with focus on the doping and excitation power ‐ another motivation for future research. 

5.4 Discussion

Several observations based on Figure 27 and Figure 28 contradict the standard model 

for  the  behavior  of  highly  doped  semiconductors.  First  the  high  doping  level  in  the 

present case causes the appearance of distinct peaks (XL and XU), and second the entire 

luminescence intensity in the band edge region rises with nGe due to an extraordinarily 

high  crystal  quality.  Additionally,  the  lifetime  τBMS  of  the  BMS‐shifted  band‐to‐band 

transitions  close  to  the  Fermi  edge  increases  with  nGe,  a  clear  sign  of  negligible 

compensation. The combination of SIMS, Hall‐effect, Raman, transmission, reflection, 

and PL measurements, proves  that  the present  set of highly germanium‐doped GaN 

samples exhibits only minor compensation effects as only a well‐tolerable concentration 

of extended  structural defects and deep  carrier  traps  is  introduced. [30,89] The  free 

electron concentration, n, scales with the dopant concentration, nGe, in an almost linear 

fashion, with  the highest doped  sample  as only exception. The main  reason  for  the 

overall high crystalline quality is given by the similarity of the Ge4+ and Ga3+ core radii 

and  bond  lengths  in GaN. [81]  The  only  significant  doping‐induced  difference  is  the 

additional valence electron of Ge  that  leads  to  the Fermi sea  formation a most  ideal 

textbook‐like doping situation. 

Page 81: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

75

The effect of the high doping concentration  in combination with  low compensation  is 

directly revealed by the particular luminescence characteristics of XL and XU. The spectral 

splitting between both peaks, the binding energy of XL  (E  = E Ε ∗), while XU, 

diminishes with rising free electron concentration. Simultaneously, the line‐broadening 

(FWHM) of XU and XL peaks decrease indicating a stabilization mechanism. In addition, 

the time‐resolved PL (TRPL) measurements from Figure 34 reveal a characteristic scaling 

behavior  of  the  associated  decay  times  along  with  pronounced  quasiparticle 

transformation  processes  studied  in  more  detail  based  on  PL  excitation  (PLE) 

spectroscopy (see Figure 35). All these observations underline the novel characteristics 

of the elementary excitations that are not inhibited, but instead truly stabilized by the 

degenerate electron gas. 

All experimental observations correlate with the formation of many‐particle complexes. 

The  XU  peak  is  identified  as  a  complex  interacting with  the  Fermi  sea,  achieving  its 

stabilization  by  exchange  of  electrons.  The most  important  energy  gain mechanism 

providing stability in an electron gas is particle exchange. [44] This effect is illustrated in 

the upper,  left panel of Figure 40. The second  low energy peak XL  is correspondingly 

interpreted as a more extended, many‐particle complex, capturing an electron‐hole pair 

from the Fermi sea (see upper, right panel of Figure 40).  In contrast to the  interband 

electron‐hole  pair  forming  the  complex  XU,  the  collexon,  the  additionally  captured 

electron‐hole  pair  is  of  an  intraband  nature.  The  resulting  four‐particle  complex  in 

interaction with  the  excited  Fermi  sea,  the  bicollexon,  is  consequently  stabilized  by 

electron exchange and Coulomb attraction. Its total excitation energy is lowered by the 

effective  binding  energy  of  the  additional  intraband  electron‐hole  pair.  Here,  this 

effective value is the full binding energy minus the excitation energy of an electron from 

the Fermi sea above the Fermi level, leaving a hole behind.  

Page 82: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  76

 

 Figure  40:  Depiction  of  the many  particle  interactions  of  collexons  and bicollexons  in  the  3D  Fermi  sea.  The  ground  state  (G)  is  formed  by  the degenerate electron gas, the Fermi sea. Upon optical excitation, inter‐band excitations are  formed and stabilized by the Fermi sea of electrons giving rise to the first excited state, the collexon (XU) with a decay rate γU. In this high density regime, such collexons scatter with electrons in the Fermi sea (γUL),  enabling  the  formation  of  the  bicollexon  (XL).  The  bicollexon represents a mixed complex of inter‐ and intra‐band electron‐hole pairs that decays (γL), forming the second excited state.  

In contrast to trions, [95–97,99,117] the bicollexon is electrically neutral, spinless, and 

of bosonic nature. PL measurements  in presence of  a magnetic  field up  to  5 T  (not 

shown) do not reveal any shift or splitting of the collexon lines. The formation of even 

larger  complexes with more  than  one  intraband  electron‐hole  pair  but  only  slightly 

smaller  excitation  energies  in  comparison  to  the  bicollexon  cannot  be  excluded.  In 

Figure 39 the XL peak exhibits a prominent line‐shape asymmetry below 10 K that may 

be  traced  back  to  additional,  weakly  bounded  intraband  electron‐hole  pairs.  The 

theoretical  picture  developed  for  low  or  moderately  doped  semiconductor 

Page 83: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

77

nanostructures such as quantum wells, wires, or dots cannot be applied in the present 

case.  The measured  free  electron  concentrations  (n = 3.4 x 1019 cm‐3,  5.1 x 1019 cm‐3, 

8.9   x 1019 cm‐3) correspond respectively to Fermi energies of ε k 2m∗⁄  166, 

217,  and  315 meV  in  the  conduction  band  with  a  Fermi  wave  vector  of  k

3π n ⁄  1.00, 1.15, and 1.38 nm‐1, if an isotropic electron mass m∗  0.231 m  is 

assumed. [50]  Direct  comparison  with  the  Bohr  radius  of  an  A‐exciton  in  GaN 

(a  2.16 nm) shows that the high‐density limit a k ≫ 1 beyond the Mott density is 

reached, where  free excitons and  their  charged,  trionic  counterparts are  completely 

dissociated, nullifying their relevance for optical data in the high‐density regime.  

The extraordinary role of the degenerate electron gas for the formation of XU and XL is 

illustrated in Figure 40. The ground state (G) of the system is given by the Fermi sea in 

the Γ7c conduction band of GaN:Ge. Upon optical inter‐band excitation, the collexon is 

formed  as  an  electron‐hole  pair  well  below  the  Burstein‐Moss  edge,  but  strongly 

coupled to the degenerate electron gas and scattered by the N electrons present in G 

state. The collexon forms a first excited state stabilized by the Fermi sea of electrons 

through unscreened electron  exchange  (illustrated by  the  arrows  in  Figure  40).  It  is 

protected  against  interactions  with  polar  optical  phonons,  since  the  Fröhlich 

coupling [118,119] is also screened. The formation of the larger complex XL as a second 

excited state with a  lower excitation energy  is consequently explained by a two‐step 

procedure. First, a collexon is excited. Second, scattering of the collexon in the Fermi sea 

excites an electron and leaves a hole behind, yielding a bicollexon complex, which emits 

at  lower energies with  respect  to  the  collexon. XL  is a highly unconventional, mixed 

complex  constituting  intra‐  as well  as  interband  excitations  that  originate  from  the 

optical excitation and  the subsequent exciton‐electron scattering  (γUL) and coupling 

mechanism  to  the Fermi  sea. The optical decay of a bicollexon  leaves an  intra‐band 

excitation behind that will relax rapidly towards the G state, the unperturbed Fermi sea 

in the conduction band. 

Page 84: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  78

The particular formation process of the bicollexon XL explains the occurrence of the rise 

time (τ )  in the corresponding PL transients  in Figure 34 and the particular excitation 

channel  in  close energetic vicinity  to  the  collexon XU  (see Figure 35). The  rising  free 

electron  concentration  promotes  the  excitation  channel  associated  to  XU  as  the 

probability for electron exchange events is enhanced. The PLE spectra of XL (red ‐ color 

gradient)  from  Figure  35  confirm  their  correlation.  The  increasing  stabilization 

mechanism via electron exchange  is quantified byτ  and τ  and their particular 

scaling  behavior with  rising  doping  concentration  in  qualitative  agreement with  the 

spectral narrowing in Figure 28.

5.5 Theoreticalmodel

The  theoretical  description  of  the  novel  many‐particle  complexes,  collexon  and 

bicollexon, stabilized by the presence of a degenerate electron gas from first principles 

requires  the calculation of  the  spectral behavior of  the  two‐ and  four‐particle Green 

functions,  including  the  correct  occupation  of  the  quasiparticle  bands.  For  the  two‐

particle  case  this  is  possible  by  solving  a  corresponding  Bethe‐Salpeter  equation 

(BSE). [44]  Typically,  Hedin’s  GW  approximation [120]  is  applied,  where  for  the 

description of quasi‐electrons and quasi‐holes vertex corrections to the single‐particle 

self‐energy are neglected, and only a statically screened Coulomb attraction between 

electrons and holes  is  taken  into account. [10,121]  In  this  limit,  the BSE  can also be 

solved  in the presence of the degenerate electron gas. [11] This solution contains the 

band‐gap  renormalization  and  the  Burstein‐Moss  shift  on  the  single‐particle 

level [35,50,11,92] as well as the additional screening of the electron‐hole interaction, 

which may  lead to a dissociation of the exciton bound states and, hence, to the Mott 

transition [49],  Fermi edge  singularity,  and Mahan excitons. [51] However, even  this 

theory is unable to describe bound electron‐hole excitations coupled to the degenerate 

electron gas with an excitation energy close to that of excitons in the absence of free 

carriers, [11] mainly due to the omission of vertex corrections in the BSE kernel. [44] The 

Page 85: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

79

inclusion of the vertex function modified by the degenerate electron gas is a challenge 

for  future  theoretical  investigations  of  the  novel  complexes.  For  more  particle 

excitations  such  as  in  the  case of biexcitons  and  trions  in  the  low‐density  limit,  the 

situation becomes worse as many‐particle Green functions are required. Typically, such 

problems  are  approached  constructing model Hamiltonians  (see  Refs.  [122,123]).  A 

T‐matrix approximation  containing particle‐particle and particle‐hole  channels allows 

the  description  of  charged  excitons.  Such  approximations  are  also  applicable  in  the 

biexciton case, [124]  in particular to describe the additional binding between the two 

electron‐hole pairs. Until now, there is no attempt to study the influence of a degenerate 

electron gas on such a four‐particle excitation. 

In  order  to  describe  collexon  and  bicollexon  complexes  additional  approximations, 

based mainly on physical, but less on mathematical grounds, have to be introduced.  

For the investigation of near band edge optical phenomena of n‐doped wurtzite GaN, 

only a two band model is considered. Near the ‐point only the 7c conduction band and 

the  uppermost  valence  band  9v  are  taken  into  account.  In  the  undoped  case  this 

restriction  would  be  consistent  with  a  study  of  the  A‐exciton.  The  two  bands  are 

assumed to be isotropic as well as parabolic with the effective masses m∗   and m∗  and 

to be separated by a density‐dependent direct gap Eg(n). [92] Details regarding the band 

structure as the differences between the effective masses parallel and perpendicular to 

the c‐axis [125] and the band coupling giving rise to the non‐parabolicity [126] can be 

found elsewhere. The optical transition 9v  7c  is dipole‐allowed at the ‐point for 

light polarization perpendicular to the c‐axis. [125] This polarization anisotropy will not 

be discussed further in the following discourse.  

In the  low excitation  limit, the absorption and emission properties are dominated by 

bound  states,  e.g.,  of  free  1s‐excitons [44,124]  or  trions [122,123,127]  and  can  be 

simulated by the imaginary part of a frequency‐dependent optical susceptibility   as 

a  sum of  such quantities  in oscillator  form.  Following  this  approach  it  is possible  to 

describe the collexon and bicollexon by:

Page 86: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  80

χ ω |M| Nϕ 0

E n ω iγ nN

ϕ ∗ 0

E n ∑ n∗ ω iγ n

E n   and  γ n   denote  the  density‐dependent  excitation  energy  and  the  line‐

broadening of the collexon (XU). The capture process of an additional electron‐hole pair 

constituting  the  bicollexon  (XL)  is  described  by  a  self‐energy  ∑ n∗ . [123,127]  Its 

negative  real  part  E n Re∑ n∗   is  the  effective  binding  energy  of  the 

additional  intraband  electron‐hole  pair  affected  by  the  degenerate  electron  gas, 

Ε ∗ n Ε n Re∑ n∗ ,  while  the  negative  imaginary  part  Im∑ n∗  

characterizes  the modification of  the bicollexon's  line‐broadening  γ ∗ n γ n

Im∑ n∗ . The density‐dependent envelope functions ϕ 0  and ϕ ∗ 0  of the many‐

particle complexes XU and XL appear in real space at the coordinate centre because the 

optical transition matrix element M is approximated by its value at the Γ‐point. [44,124] 

Their squares characterize the  localization of the many‐particle complexes with rising 

electron density. The index N labels the stabilizing degenerate gas with N electrons, the 

corresponding  index N∗  indicates  that  the  intraband electron  gas  is excited with  an 

electron above the Fermi level and a hole in the Fermi sea, while the pre‐factors N  and 

N describe the number of corresponding complexes. Only the rate γUL, introduced in 

Figure 40, is directly accessible via TRPL measurements yieldingτ .  

To  describe  PL  and  PLE  spectra  it  is  assumed  that  the  density‐dependent  envelope 

functions of the two complexes at vanishing particle distances are ϕ ∗ 0  and ϕ 0 . 

This fact indicates that the sum of the oscillator strengths of the two complexes is not 

conserved  for  varying  electron  density  as  observed  experimentally  for  trions  and 

excitons. [128,129] In the collexon case it is described by the density‐dependent Fourier‐

transformed envelope function, here given by: [10,123] 

A k ~ d xϕ x e

Page 87: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN 

81

One may approximate this expression by the Fourier transform of a hydrogenic 1s‐wave 

function 

A k ~ 1 a n k  

with a characteristic radius a n . However, its density dependence strongly deviates 

from  that of a  screened Wannier‐Mott exciton, which underlies a Mott  transition  in 

contrast to the collexon. This is a complex whose characteristic extent is reduced by the 

exchange  interaction with  the electron gas. For  the  four‐particle bicollexon complex, 

three different relative motions appear. The most important one is the relative motion 

of the electron with respect to the corresponding hole  in different bands.  In order to 

illustrate  the small spatial extent of  the complex,  this matter  is similarly specified by 

assuming vanishing relative particle distances as indicated by ϕ ∗ 0 .  

The localization of the complexes in the presence of the electron gas leads to excitation 

energies E n  and E ∗ n  of the complexes, which are not coupled to the Burstein‐

Moss edge E n ε  as in the high‐density limit of Mahan excitons. On the contrary, 

collexon and bicollexon appear below the excitation energy of an exciton in the absence 

of  free  carriers.  This  observation  may  be  interpreted  as  a  consequence  of  the 

unscreened particle‐particle exchange with energies of the order of ε  for the electron‐

hole pairs excited virtually in the degenerate electron gas, thereby almost compensating 

the Burstein‐Moss shift. 

Taking the collexon and bicollexon into account, their spectra can be approximated in 

the high density regime by 

Imχ ω |M| NUϕNU 0

2γ n

E n ω γ nNL

ϕ ∗L 0

2γ ∗ n

E ∗ n ω γ ∗ n 

where collexon and bicollexon parameters, are functions of the free carrier density. 

Page 88: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

5 Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in highly Ge doped GaN   

  82

The  relation  of  the  two many‐particle  complexes,  collexon  and  bicollexon,  can  be 

discussed  in  two ways.  The  collexon may be  considered  as  a dissociated bicollexon, 

where  the  intraband  electron‐hole  pair  recombines.  The more  intuitive  picture  is  a 

bound interband electron‐hole pair stabilized by the electron gas, the collexon. Due to 

the  strong  interaction with  the  Fermi  sea,  the  collexon may  capture  a  low‐energy 

electron‐hole  pair,  whose  binding  in  the  complex  overcomes  its  virtual  excitation 

energy. This capturing is described by a pair self‐energy ∑ nN∗ . The self‐energy ∑ nN∗  

may be approximated in the framework of a T‐matrix approximation with an effective 

attracting potential, similar to the treatment for quantum wells. [123,127] 

Additionally, especially  in GaN,  it  is  important  to note  that  the emission  linewidth of 

excitons  is not trivially related to the  inherent decay time. The particular spectral  line 

shape  depends  on  many  factors  such  as,  excitation  energy,  strain,  and  impurity 

density. [130]  Specifically high doping densities  lead  to  a pronounced broadening of 

spectral emission lines in bulk GaN as well as related nanostructures. [131,132] Starting 

at a free electron concentration of n = 3.4 x 1019 cm‐3, the emission linewidth of XU and 

XL diminishes as all detrimental effects of the host lattice ‐ dictating the initial linewidths 

of XU and XL ‐ are overcompensated by the beneficial stabilization action of the Fermi 

sea of electrons. By increasing the free electron concentration, the weight for the origin 

of the observable linewidth is shifted from the crystal lattice to the degenerate electron 

gas. The rising doping concentration continuously weakens the quasi‐bosonic character 

of all excitonic complexes until a re‐bosonization  is achieved  in the form of XU and XL 

with rising free electron density and diminishing emission linewidths. 

   

Page 89: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

6 Summary 

83

6 Summary

The main  topic  of  this  work  is  the  detailed  investigation  of  electrical,  optical  and 

structural properties of highly Germanium doped GaN. The correlative analysis of two 

series  of  Germanium  doped  samples  reveals  the  strong  influence  of  the  growth 

conditions on point defects and compensation mechanisms  in semiconductors. A  low 

growth temperature of 960 °C facilitates a very efficient  incorporation of Germanium 

atoms into the GaN crystal. The maximum Germanium concentration of 1.2 x 1021 cm‐3 

corresponds to more than 1% Germanium content  in the GaN crystal. The maximum 

free carrier concentration of 2.3 x 1020 cm‐3 is achieved at a Germanium concentration 

of 2.5 x 1020 cm‐3, which also marks the onset of measureable compensation effects. The 

strength  of  these  compensation  effects  increases  with  increasing  Germanium 

concentration.  The  higher  the  Germanium  content  the  higher  is  the  FWHM  of  the 

E2(high) mode of the Germanium doped layer, which corresponds to a decrease of the 

crystalline  quality.  The  reduction  of  the  intensity  and  decay  time  of  the  NBE 

luminescence while the YL increases is attributed to an increase of VGa and/or Carbon 

impurities.  Other  point  defects  are  less  likely  to  play  a  role  in  this  compensation 

mechanism due to their relatively high  formation energy. PL measurements show an 

energetically  shallow  Germanium  related  strong  luminescence.  This  luminescence 

evolves with increasing Germanium content from a Germanium related defect band into 

the conduction band of the ternary semiconductor GeGaN.  

Higher growth temperatures in the range of 1075 °C lead to better crystalline quality of 

GaN layers, which is shown by the remarkably small FWHM of the E2(high) of 2.7 cm‐1. 

However, two to three orders of magnitude higher flow rates of the precursor of the 

dopant are necessary to achieve similar Germanium concentrations as for lower growth 

temperatures. For comparison Silicon doped samples with similar doping concentrations 

were grown with the same growth conditions. High Silicon concentrations in GaN cause 

a change of the inclination angle of edge type dislocations, which results in tensile stress 

and a strong decrease of the crystalline quality. Irregular strain fields in Silicon doped 

Page 90: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

6 Summary   

  84

GaN samples increase the tendency of inhomogeneous incorporation of the dopant and 

significantly increase the concentration of compensating defects.  

The Raman spectra of the Ge‐doped samples exhibit a homogenous strain distribution 

over  the  entire  epitaxial  layer  in  strong  contrast  to  the observations  for  any  Silicon 

doped samples. Germanium doping in GaN has a negligible small impact on the strain 

and  a  remarkably  small  influence on  the  crystalline quality  in  comparison  to  Silicon 

doping. A comparison of the Germanium concentration, measured by SIMS, with the 

free carrier concentrations, measured by Hall effect and Raman spectroscopy, reveals 

that  only  the  highest Germanium  doped,  thicker  sample  shows  compensation.  The 

excellent  crystalline  quality  of  the GaN  crystal  is  also  shown  by  the  clear  signature 

luminescence of  free excitons. With  increasing Germanium content samples  reveal a 

text book  like behavior of the NBE  luminescence, which broadens and shifts towards 

higher  energies  due  to  the  BMS  and  BGR.  From  a  free  carrier  concentration  of 

3.4 x 1019 cm‐3 two pronounced narrow peaks appear, which originate from an, prior to 

this  work,  unknown  quasi  particle,  the  collexon.  With  increasing  free  carrier 

concentration  the  intensity  and  decay  time  of  the  collexon  luminescence  increases, 

while the FWHM decreases. The  increasing density of the three dimensional electron 

gas stabilizes the many particle complex of the collexon. Scattering of the collexon in the 

Fermi sea excites an electron and leaves a hole behind, yielding a bicollexon complex, 

which emits at  lower energies with respect to the collexon. The bicollexon  is a highly 

unconventional, mixed complex constituting intra‐ as well as interband excitations that 

originate from the optical excitation and the subsequent exciton‐electron scattering and 

coupling mechanism  to  the  Fermi  sea.  Significantly,  the  previously  unreported  two 

fundamental excitations discovered in this work should occur in the optical signature of 

any  highly  doped  and  at  the  same  time  lowly  compensated  semiconductor with  an 

extraordinary high crystalline quality. No additional spatial confinement of carriers, as 

in quantum well and quantum dot structures, is needed. Dopants that achieve a close‐

to‐perfect  substitution of  the  corresponding host  atom  should  lead  to near perfect, 

Page 91: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

6 Summary 

85

doped  crystals  comprising  a  degenerated  electron  gas,  which  will  stabilize  with 

collexons.  

   

Page 92: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

7 Publications   

  86

7 Publications

19. Charge state switching of Cu acceptors in ZnO nanorods 

M. A. Rahman, M. T. Westerhausen, C. Nenstiel, S. Choi, A. Hoffmann, A. Gentle, M. R. Phillips, C. Ton‐That 

Appl. Phys. Lett. 110, 121907 (2017) 

18. Intrinsic electronic properties of high‐quality wurtzite InN 

H. Eisele, J. Schuppang, M. Schnedler, M. Duchamp, C. Nenstiel, V. Portz, T. Kure, M. Bügler,  A. Lenz, M.  Dähne,  A.  Hoffmann,  S.  Gwo,  S.  Choi,  J.  S.  Speck,  R.  E.  Dunin‐Borkowski, Ph. Ebert 

Phys. Rev. B 94, 245201 (2016) 

17. Electronic excitations stabilised by a degenerate electron gas in semiconductors 

C. Nenstiel, G. Callsen, F. Nippert, T. Kure, M. R. Wagner, S. Schlichting, N. Jankowski, M. P. Hoffmann, A. Dadgar, S. Fritze, A. Krost, A. Hoffmann, and F. Bechstedt 

arXiv preprint arXiv: 1610.01673 (2016) 

16.  Temperature‐dependent  recombination  coefficients  in  InGaN  light‐emitting diodes: hole localization, Auger processes, and the green gap 

F. Nippert, S. Karpov, G. Callsen, B. Galler, T. Kure, C. Nenstiel, M. Wagner, M. Straßburg, H. J. Lugauer, and A. Hoffman 

Appl. Phys. Lett. 109, 161103 (2016) 

15. Evaluation of local free carrier concentrations in individual heavily‐doped GaN:Si micro‐rods by micro‐Raman spectroscopy 

M.  S. Mohajerani,  S.  Khachadorian,  T.  Schimpke,  C. Nenstiel,  J. Hartmann,  J.  Ledig, A. Avramescu, M. Strassburg, A. Hoffmann, and A. Waag  

Appl. Phys. Lett. 108, 91112 (2016) 

14. Determination of recombination coefficients in InGaN quantum‐well light‐emitting diodes by small‐signal time‐resolved photoluminescence 

F. Nippert, S. Karpov,  I. Pietzonka, B. Galler, A. Wilm, T. Kure, C. Nenstiel, G. Callsen, M. Straßburg, H. J. Lugauer, and A. Hoffmann 

Jpn. J. Appl. Phys. 55, 05FJ01 (2016) 

Page 93: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

7 Publications 

87

13.  Polarization‐induced  confinement  of  continuous  hole‐states  in  highly  pumped, industrial‐grade, green InGaN quantum wells 

F.  Nippert,  A.  Nirschl,  T.  Schulz,  G.  Callsen,  I.  Pietzonka,  S. Westerkamp,  T.  Kure, C. Nenstiel, M. Strassburg, M. Albrecht, and A. Hoffmann 

J. Appl. Phys. 119, 215707 (2016) 

12. Nature of red  luminescence  in oxygen treated hydrothermally grown zinc oxide nanorods 

S. Anantachaisilp,  S. M.  Smith,  C.  Ton‐That,  S.  Pornsuwan, A.  R. Moon,  C. Nenstiel, A. Hoffmann, and M. R. Phillips 

J. Lumin. 168, 20–25 (2015) 

11. Analysis of the exciton‐LO‐phonon coupling in single wurtzite GaN quantum dots 

G. Callsen, G. M. O. Pahn, S. Kalinowski, C. Kindel, J. Settke, J. Brunnmeier, C. Nenstiel, T. Kure, F. Nippert, A. Schliwa, A. Hoffmann, T. Markurt, T. Schulz, M. Albrecht, S. Kako, M. Arita, and Y. Arakawa 

Phys. Rev. B ‐ Condens. Matter Mater. Phys. 92, 235439 (2015) 

10. Germanium ‐ The superior dopant in n‐type GaN 

C. Nenstiel, M. Bügler, G. Callsen, F. Nippert, T. Kure,  S.  Fritze, A. Dadgar, H. Witte, J. Bläsing, A. Krost, and A. Hoffmann 

Phys. Status Solidi ‐ Rapid Res. Lett. 9, 716–721 (2015) 

9. Shallow carrier traps in hydrothermal ZnO crystals 

C.  Ton‐That,  L.  L.  C.  Lem, M.  R.  Phillips,  F.  Reisdorffer,  J. Mevellec,  T.‐P.  Nguyen, C. Nenstiel, and A. Hoffmann 

New J. Phys. 16, 83040 (2014) 

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

D.  Gogova,  P.  P.  Petrov,  M.  Buegler,  M.  R.  Wagner,  C.  Nenstiel,  G.  Callsen,  M. Schmidbauer,  R. Kucharski, M.  Zajac,  R.  Dwilinski, M.  R.  Phillips,  A.  Hoffmann,  and R. Fornari 

J. Appl. Phys. 113, 103504 (2013) 

   

Page 94: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

7 Publications   

  88

7.  Ge  doped  GaN  with  controllable  high  carrier  concentration  for  plasmonic applications 

R.  Kirste,  M.  P.  Hoffmann,  E.  Sachet,  M.  Bobea,  Z.  Bryan,  I.  Bryan,  C.  Nenstiel, A. Hoffmann, J. P. Maria, R. Collazo, and Z. Sitar 

Appl. Phys. Lett. 103, 242107 (2013) 

6.  Compensation  effects  in  GaN:Mg  probed  by  Raman  spectroscopy  and photoluminescence measurements 

R.  Kirste,  M.  P.  Hoffmann,  J.  Tweedie,  Z.  Bryan,  G.  Callsen,  T.  Kure,  C.  Nenstiel, M. R. Wagner, R. Collazo, A. Hoffmann, and Z. Sitar 

J. Appl. Phys. 113, 103504 (2013) 

5. Effect of TMGa preflow on the properties of high temperature AlN layers grown on sapphire 

R. Kirste, M. R. Wagner, C. Nenstiel, F. Brunner, M. Weyers, and A. Hoffmann 

Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci. 210, 285–290 (2013) 

4. Optical signature of Mg‐doped GaN: Transfer processes 

G. Callsen, M. R. Wagner, T. Kure, J. S. Reparaz, M. Bügler, J. Brunnmeier, C. Nenstiel, A. Hoffmann, M. Hoffmann,  J. Tweedie, Z. Bryan, S. Aygun, R. Kirste, R. Collazo, and Z. Sitar 

Phys. Rev. B 86, 075207 (2012) 

3. Phonon deformation potentials  in wurtzite GaN and ZnO determined by uniaxial pressure dependent Raman measurements 

G.  Callsen,  J.  S.  Reparaz,  M.  R.  Wagner,  R.  Kirste,  C.  Nenstiel,  A.  Hoffmann,  and M. R. Phillips 

Appl. Phys. Lett. 98, 61906 (2011) 

2. Bound excitons in ZnO: Structural defect complexes versus shallow impurity centers 

M. R. Wagner, G. Callsen, J. S. Reparaz, J. H. Schulze, R. Kirste, M. Cobet, I. A. Ostapenko, S.  Rodt,  C. Nenstiel,  M.  Kaiser,  A.  Hoffmann,  A.  V.  Rodina,  M.  R.  Phillips, S. Lautenschläger, S. Eisermann, and B. K. Meyer 

Phys. Rev. B ‐ Condens. Matter Mater. Phys. 84, 035313 (2011) 

   

Page 95: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8  

89

1. Identification of a donor‐related recombination channel in ZnO thin films 

M. Brandt, H. Von Wenckstern, G. Benndorf, M.  Lange, C. P. Dietrich, C. Kranert, C. Sturm, R. Schmidt‐Grund, H. Hochmuth, M. Lorenz, M. Grundmann, M. R. Wagner, M. Alic, C. Nenstiel, and A. Hoffmann 

Phys. Rev. B ‐ Condens. Matter Mater. Phys. 81, 073306 (2010) 

 

Page 96: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography   

  90

8 Bibliography

[1] Y. Ohno and M. Kuzuhara, IEEE Trans. Electron Devices 48, 517 (2001).

[2] S. Yoshida and H. Ishii, 246, 243 (2001).

[3] S. J. Pearton, B. S. Kang, S. Kim, F. Ren, B. P. Gila, C. R. Abernathy, J. Lin, and S. N. G. Chu, J. Phys. Condens. Matter 16, R961 (2004).

[4] S. Yoshida, S. Misawa, and S. Gonda, Appl. Phys. Lett. 42, 427 (1983).

[5] F. A. Ponce and D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997).

[6] S. Nakamura, M. Senoh, S. ichi Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, and Y. Sugimoto, Japanese J. Appl. Physics, Part 2 Lett. 35, L74 (1996).

[7] S. Nakamura, M. Senoh, S. Nagahama, N. Iwasa, T. Yamada, T. Matsushita, H. Kiyoku, and Y. Sugimoto, Jpn. J. Appl. Phys. 35, L217 (1996).

[8] S. Stańczyk, T. Czyszanowski, A. Kafar, R. Czernecki, G. Targowski, M. Leszczyński, T. Suski, R. Kucharski, and P. Perlin, Appl. Phys. Lett. 102, 151102 (2013).

[9] G. Franssen, T. Suski, P. Perlin, R. Bohdan, A. Bercha, W. Trzeciakowski, I. Makarowa, P. Prystawko, M. Leszczyński, I. Grzegory, S. Porowski, and S. Kokenyesi, Appl. Phys. Lett. 87, 85 (2005).

[10] B. I. Shklovskii and A. L. Efros, Springer Verlag, Berlin (1984).

[11] A. Schleife, C. Rödl, F. Fuchs, K. Hannewald, and F. Bechstedt, Phys. Rev. Lett. 107, (2011).

[12] R. Loudon, The Raman Effect in Crystals (1964).

[13] R. H. Lyddane, R. G. Sachs, and E. Teller, Phys. Rev. 59, 673 (1941).

[14] T. Damen, S. Porto, and B. Tell, Phys. Rev. 142, 570 (1966).

[15] M. Cardona, in Light Scatt. Solids II (1982), pp. 19–178.

[16] A. Dadgar, a. Strittmatter, J. Bläsing, M. Poschenrieder, O. Contreras, P. Veit, T. Riemann, F. Bertram, a. Reiher, a. Krtschil, A. Diez, T. Hempel, T. Finger, a. Kasic, M. Schubert, D. Bimberg, F. a. Ponce, J. Christen, and A. Krost, Phys. Status Solidi 1606, 1583 (2003).

[17] L. Liu and J. H. Edgar, Mater. Sci. Eng. R Reports 37, 61 (2002).

[18] U. Haboeck, H. Siegle, A. Hoffmann, and C. Thomsen, Phys. Status Solidi C Conf. 0, 1710 (2003).

[19] A. Polian, M. Grimsditch, and I. Grzegory, J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996).

[20] A. Goñi, H. Siegle, K. Syassen, C. Thomsen, and J. M. Wagner, Phys. Rev. B 64, (2001).

[21] G. Callsen, J. S. Reparaz, M. R. Wagner, R. Kirste, C. Nenstiel, A. Hoffmann, and M. R. Phillips, Appl. Phys. Lett. 98, 61906 (2011).

Page 97: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography 

91

[22] G. Irmer, V. V Toporov, B. H. Bairamov, and J. Monecke, Phys. Status Solidi 119, 595 (1983).

[23] M. Klose, R. Dassow, M. Gross, and H. Schröder, J. Cryst. Growth 190, 666 (1998).

[24] H. Y. Peng, M. D. McCluskey, Y. M. Gupta, M. Kneissl, and N. M. Johnson, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 71, 1 (2005).

[25] J. E. Rowe, M. Cardona, and F. H. Pollak, Solid State Commun. 6, 239 (1968).

[26] A. Alemu, B. Gil, M. Julier, and S. Nakamura, Phys. Rev. B 57, 3761 (1998).

[27] B. Monemar, Phys. Rev. B 10, 676 (1974).

[28] D. Volm, K. Oettinger, T. Streibl, D. Kovalev, M. BenChorin, J. Diener, B. K. Meyer, J. Majewski, L. Eckey, A. Hoffmann, H. Amano, I. Akasaki, K. Hiramatsu, and T. Detchprohm, Phys. Rev. B 53, 16543 (1996).

[29] M. Leszczynski, T. Suski, H. Teisseyre, P. Perlin, I. Grzegory, J. Jun, S. Porowski, and T. D. Moustakas, J. Appl. Phys. 76, 4909 (1994).

[30] C. Nenstiel, M. Bügler, G. Callsen, F. Nippert, T. Kure, S. Fritze, A. Dadgar, H. Witte, J. Bläsing, A. Krost, and A. Hoffmann, Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. 9, 716 (2015).

[31] M. A. M. Versteegh, T. Kuis, H. T. C. Stoof, and J. I. Dijkhuis, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 84, 1 (2011).

[32] F. Binet, J. Y. Duboz, J. Off, and F. Scholz, Phys. Rev. B 60, 4715 (1999).

[33] T. Nagai, T. J. Inagaki, and Y. Kanemitsu, Appl. Phys. Lett. 84, 1284 (2004).

[34] D. C. Reynolds, D. C. Look, and B. Jogai, J. Appl. Phys. 88, 5760 (2000).

[35] K. F. Berggren and B. E. Sernelius, Phys. Rev. B 24, 1971 (1981).

[36] B. E. Sernelius, K. F. Berggren, Z. C. Jin, I. Hamberg, and C. G. Granqvist, Phys. Rev. B 37, 10244 (1988).

[37] Z. Chine, A. Rebey, H. Touati, E. Goovaerts, M. Oueslati, B. El Jani, and S. Laugt, Phys. Status Solidi 203, 1954 (2006).

[38] H. P. D. Schenk, S. I. Borenstain, A. Berezin, A. Schön, E. Cheifetz, S. Khatsevich, and D. H. Rich, J. Appl. Phys. 103, (2008).

[39] M. Yoshikawa, M. Kunzer, J. Wagner, H. Obloh, P. Schlotter, R. Schmidt, N. Herres, and U. Kaufmann, J. Appl. Phys. 86, 4400 (1999).

[40] I. H. Lee, J. J. Lee, P. Kung, F. J. Sanchez, and M. Razeghi, Appl. Phys. Lett. 74, 102 (1999).

[41] R. A. Abram, G. J. Rees, and B. L. H. Wilson, Adv. Phys. 27, 799 (1978).

[42] E. Burstein, Phys. Rev. 93, 632 (1954).

[43] T. S. Moss, Proc. Phys. Soc. Sect. B 67, 775 (1954).

[44] F. Bechstedt, Many-Body Approach to Electronic Excitations (Springer, Berlin, 2015).

Page 98: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography   

  92

[45] G. Onida, L. Reining, and A. Rubio, Rev. Mod. Phys. 74, 601 (2002).

[46] R. J. Elliott, Phys. Rev. 108, 1384 (1957).

[47] P. Y. Yu and M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors (2010).

[48] C. Klingshirn, Semiconductor Optics (2007).

[49] N. F. Mott, Rev. Mod. Phys. 40, 677 (1968).

[50] M. Feneberg, S. Osterburg, K. Lange, C. Lidig, B. Garke, R. Goldhahn, E. Richter, C. Netzel, M. D. Neumann, N. Esser, S. Fritze, H. Witte, J. Bläsing, A. Dadgar, and A. Krost, Phys. Rev. B 90, 75203 (2014).

[51] G. D. Mahan, Phys. Rev. 153, 882 (1967).

[52] E. Kane, Phys. Rev. 131, 79 (1963).

[53] R. Kirste, M. P. Hoffmann, E. Sachet, M. Bobea, Z. Bryan, I. Bryan, C. Nenstiel, A. Hoffmann, J. P. Maria, R. Collazo, and Z. Sitar, Appl. Phys. Lett. 103, 2011 (2013).

[54] C. G. Van De Walle and J. Neugebauer, J. Appl. Phys. 95, 3851 (2004).

[55] H. Obloh, K. H. Bachem, U. Kaufmann, M. Kunzer, M. Maier, A. Ramakrishnan, and P. Schlotter, J. Cryst. Growth 195, 270 (1998).

[56] Z. Liliental-Weber, J. Jasinski, M. Benamara, I. Grzegory, S. Porowski, D. J. H. Lampert, C. J. Eiting, and R. D. Dupuis, Phys. Status Solidi Basic Res. 228, 345 (2001).

[57] U. Kaufmann, P. Schlotter, H. Obloh, K. Köhler, and M. Maier, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 62, 10867 (2000).

[58] D. C. Look, K. D. Leedy, L. Vines, B. G. Svensson, A. Zubiaga, F. Tuomisto, D. R. Doutt, and L. J. Brillson, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 84, 1 (2011).

[59] G. Mandel, Phys. Rev. 134, (1964).

[60] G. F. Neumark, J. Appl. Phys. 51, 3383 (1980).

[61] H. Alves, M. Böhm, A. Hofstaetter, H. Amano, S. Einfeldt, D. Hommel, D. M. Hofmann, and B. K. Meyer, Phys. B Condens. Matter 308–310, 38 (2001).

[62] U. Kaufmann, M. Kunzer, H. Obloh, M. Maier, C. Manz, A. Ramakrishnan, and B. Santic, Phys. Rev. B 59, 5561 (1999).

[63] M. A. Reshchikov and H. Morkoç, J. Appl. Phys. 97, 61301 (2005).

[64] A. F. Wright, J. Appl. Phys. 92, 2575 (2002).

[65] S. W. Kaun, P. G. Burke, M. Hoi Wong, E. C. H. Kyle, U. K. Mishra, and J. S. Speck, Appl. Phys. Lett. 101, 19 (2012).

[66] A. Armstrong, A. R. Arehart, B. Moran, S. P. DenBaars, U. K. Mishra, J. S. Speck, and S. A. Ringel, Appl. Phys. Lett. 84, 374 (2004).

[67] C. Poblenz, P. Waltereit, S. Rajan, S. Heikman, U. K. Mishra, and J. S. Speck, J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanom. Struct. 22, 1145 (2004).

Page 99: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography 

93

[68] J. L. Lyons, A. Janotti, and C. G. Van De Walle, Appl. Phys. Lett. 97, 0 (2010).

[69] C. H. Seager, A. F. Wright, J. Yu, and W. Götz, J. Appl. Phys. 92, 6553 (2002).

[70] T. Ogino and M. Aoki, Jpn. J. Appl. Phys. 19, 2395 (1980).

[71] S. O. Kucheyev, M. Toth, M. R. Phillips, J. S. Williams, C. Jagadish, and G. Li, J. Appl. Phys. 91, 5867 (2002).

[72] J. Neugebauer and C. G. Van de Walle, Appl. Phys. Lett. 69, 503 (1996).

[73] K. Saarinen, T. Laine, S. Kuisma, J. Nissilä, P. Hautojärvi, L. Dobrzynski, J. Baranowski, K. Pakula, R. Stepniewski, M. Wojdak, a. Wysmolek, T. Suski, M. Leszczynski, I. Grzegory, and S. Porowski, Phys. Rev. Lett. 79, 3030 (1997).

[74] R. Armitage, W. Hong, Q. Yang, H. Feick, J. Gebauer, E. R. Weber, S. Hautakangas, and K. Saarinen, Appl. Phys. Lett. 82, 3457 (2003).

[75] A. Sedhain, J. Li, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 96, 1 (2010).

[76] A. Dadgar, P. Veit, F. Schulze, J. Bläsing, A. Krtschil, H. Witte, A. Diez, T. Hempel, J. Christen, R. Clos, and A. Krost, Thin Solid Films 515, 4356 (2007).

[77] L. T. Romano, C. G. Van de Walle, J. W. Ager, W. Götz, and R. S. Kern, J. Appl. Phys. 87, 7745 (2000).

[78] C. Van de Walle, Phys. Rev. B 68, 1 (2003).

[79] B. Arnaudov, T. Paskova, E. Goldys, S. Evtimova, and B. Monemar, Phys. Rev. B 64, (2001).

[80] T. Makimoto, H. Saito, T. Nishida, and N. Kobayashi, Appl. Phys. Lett. 70, 2984 (1997).

[81] P. Bogusławski and J. Bernholc, Phys. Rev. B 56, 9496 (1997).

[82] A. Hoffmann, H. Siegle, A. Kaschner, L. Eckey, C. Thomsen, J. Christen, F. Bertram, M. Schmidt, K. Hiramatsu, S. Kitamura, and N. Sawaki, J. Cryst. Growth 189–190, 630 (1998).

[83] A. Kaschner, H. Siegle, G. Kaczmarczyk, M. Straßburg, A. Hoffmann, C. Thomsen, U. Birkle, S. Einfeldt, and D. Hommel, Appl. Phys. Lett. 74, 3281 (1999).

[84] W. Limmer, W. Ritter, R. Sauer, B. Mensching, C. Liu, and B. Rauschenbach, Appl. Phys. Lett. 72, 2589 (1998).

[85] D. M. Follstaedt, S. R. Lee, A. A. Allerman, and J. A. Floro, J. Appl. Phys. 105, 83507 (2009).

[86] I. C. Manning, X. Weng, J. D. Acord, M. A. Fanton, D. W. Snyder, and J. M. Redwing, J. Appl. Phys. 106, 23506 (2009).

[87] A. Dadgar, R. Clos, G. Strassburger, F. Schulze, P. Veit, and T. Hempel, Adv. Solids State Phys. B. Kramer 44, 313 (2004).

[88] H. Ishikawa, K. Yamamoto, T. Egawa, T. Soga, T. Jimbo, and M. Umeno, J. Cryst. Growth 189–190, 178 (1998).

Page 100: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography   

  94

[89] S. Fritze, A. Dadgar, H. Witte, M. Bügler, A. Rohrbeck, J. Bläsing, A. Hoffmann, and A. Krost, Appl. Phys. Lett. 100, 122104 (2012).

[90] G. a. Thomas and T. M. Rice, Solid State Commun. 23, 359 (1977).

[91] K. Kheng, R. Cox, M. d’ Aubigné, F. Bassani, K. Saminadayar, and S. Tatarenko, Phys. Rev. Lett. 71, 1752 (1993).

[92] G. Finkelstein, H. Shtrikman, and I. Bar-Joseph, Phys. Rev. Lett. 74, 976 (1995).

[93] A. J. Shields, M. Pepper, D. A. Ritchie, M. Y. Simmons, and G. A. C. Jones, Phys. Rev. B 51, 18049 (1995).

[94] T. Warming, E. Siebert, A. Schliwa, E. Stock, R. Zimmermann, and D. Bimberg, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 79, 1 (2009).

[95] X. Xu, Sci. Rep. 3, 3228 (2013).

[96] P. Bigenwald, A. Kavokin, and B. Gil, Phys. Status Solidi Appl. Res. 195, 587 (2003).

[97] A. Esser, E. Runge, R. Zimmermann, and W. Langbein, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 62, 8232 (2000).

[98] C. H. Lui, a. J. Frenzel, D. V. Pilon, Y.-H. Lee, X. Ling, G. M. Akselrod, J. Kong, and N. Gedik, Phys. Rev. Lett. 113, 1 (2014).

[99] N. Scheuschner, O. Ochedowski, A. M. Kaulitz, R. Gillen, M. Schleberger, and J. Maultzsch, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 89, 2 (2014).

[100] G. Callsen, M. R. Wagner, T. Kure, J. S. Reparaz, M. Bügler, J. Brunnmeier, C. Nenstiel, A. Hoffmann, M. Hoffmann, J. Tweedie, Z. Bryan, S. Aygun, R. Kirste, R. Collazo, and Z. Sitar, Phys. Rev. B 86, 75207 (2012).

[101] B. Monemar, J. Phys. Condens. Matter 13, 7011 (2001).

[102] D. G. Chtchekine, Z. C. Feng, G. D. Gilliland, S. J. Chua, and D. Wolford, Phys. Rev. B 60, 15980 (1999).

[103] Q. Yang, H. Feick, and E. R. Weber, Appl. Phys. Lett. 82, 3002 (2003).

[104] B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, T. V. Shubina, S. Figge, T. Paskova, D. Hommel, A. Usui, M. Iwaya, S. Kamiyama, H. Amano, and I. Akasaki, Mater. Sci. Semicond. Process. 9, 168 (2006).

[105] A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai, and A. Y. Atsushi, Jpn. J. Appl. Phys. 36, L899 (1997).

[106] J. Desheng, Y. Makita, K. Ploog, and H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 999, 53 (2001).

[107] M. R. Wagner, G. Callsen, J. S. Reparaz, J. H. Schulze, R. Kirste, M. Cobet, I. A. Ostapenko, S. Rodt, C. Nenstiel, M. Kaiser, A. Hoffmann, A. V. Rodina, M. R. Phillips, S. Lautenschläger, S. Eisermann, and B. K. Meyer, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 84, (2011).

[108] M. R. Wagner, G. Callsen, J. S. Reparaz, R. Kirste, A. Hoffmann, A. V Rodina, A. Schleife, F. Bechstedt, and M. R. Phillips, Phys. Rev. B 88, 235210 (2013).

[109] J. F. Muth, J. H. Lee, I. K. Shmagin, R. M. Kolbas, H. C. Casey, B. P. Keller, U.

Page 101: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography 

95

K. Mishra, and S. P. DenBaars, Appl. Phys. Lett. 71, 2572 (1997).

[110] Ü. Özgür, Y. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Doǧan, V. Avrutin, S. J. Cho, and H. Morko̧, J. Appl. Phys. 98, 1 (2005).

[111] I. B. Ch. Fricke, R. Heitz, A. Hoffmann, Phys. Rev. B 49, 5313 (1994).

[112] a. Rodina, M. Dietrich, a. Göldner, L. Eckey, a. Hoffmann, A. Efros, M. Rosen, and B. Meyer, Phys. Rev. B 64, 11 (2001).

[113] I. Broser, J. Gutowski, and R. Riedel, Solid State Commun. 49, 445 (1984).

[114] T. Timusk, Phys. Rev. B 13, 3511 (1976).

[115] T. Timusk, H. Navarro, N. O. Lipari, and M. Altarelli, Solid State Commun. 25, 217 (1978).

[116] D. Bimberg, M. Sondergeld, and E. Grobe, Phys. Rev. B 4, 3451 (1971).

[117] C. H. Lui, a. J. Frenzel, D. V. Pilon, Y. H. Lee, X. Ling, G. M. Akselrod, J. Kong, and N. Gedik, Phys. Rev. Lett. 113, 1 (2014).

[118] H. Fröhlich, H. Pelzer, and S. Zienau, Philos. Mag. 41, 221 (1950).

[119] H. Fröhlich, Adv. Phys. 3, 325 (1954).

[120] L. Hedin, 139, A796 (1965).

[121] M. Rohlfing and S. Louie, Phys. Rev. B 62, 4927 (2000).

[122] a. Esser, R. Zimmermann, and E. Runge, Phys. Status Solidi Basic Res. 227, 317 (2001).

[123] R. A. Suris, in Opt. Prop. 2D Syst. with Interact. Electrons SE - 9, edited by W. Ossau and R. Suris (Springer Netherlands, 2003), pp. 111–124.

[124] G. Haug, Hartmut (Goethe-Universität Frankfurt, Germany), Koch, Stephan W (Philipps-Universität Marburg, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors (World Scientific, New Jersey, 2009).

[125] L. C. de Carvalho, A. Schleife, and F. Bechstedt, Phys. Rev. B 84, 1 (2011).

[126] J. Furthm, P. H. Hahn, F. Fuchs, F. Bechstedt, N. The, F. Inn, and D.- Lda, Phys. Rev. B 72, 205106 (2005).

[127] R. a. Suris, V. P. Kochereshko, G. V. Astakhov, D. R. Yakovlev, W. Ossau, J. Nürnberger, W. Faschinger, G. Landwehr, T. Wojtowicz, G. Karczewski, and J. Kossut, Phys. Status Solidi Basic Res. 227, 343 (2001).

[128] T. Brunhes, R. André, a. Arnoult, J. Cibert, and a. Wasiela, Phys. Rev. B 60, 11568 (1999).

[129] R. Rapaport, a. Qarry, E. Cohen, a. Ron, and L. N. Pfeiffer, Phys. Status Solidi Basic Res. 227, 419 (2001).

[130] B. Monemar, P. P. Paskov, J. P. Bergman, A. A. Toropov, T. V Shubina, T. Malinauskas, and A. Usui, Phys. Status Solidi B-Basic Solid State Phys. 245, 1723 (2008).

[131] C. Kindel, G. Callsen, S. Kako, T. Kawano, H. Oishi, G. Hönig, A. Schliwa, A.

Page 102: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

8 Bibliography   

  96

Hoffmann, and Y. Arakawa, Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. 8, 408 (2014).

[132] G. Callsen and G. M. O. Pahn, Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. 9, 521 (2015).

 

   

Page 103: Many body effects in heavily doped GaN - TU Berlin · Many body effects in heavily doped GaN vorgelegt von Diplom-Physiker Marc Christian Siegfried Nenstiel ... in einer dreidimensionalen

9 Acknowledgement 

97

9 Acknowledgement

I would like to thank everybody who supported my work at the TU Berlin and the UTS 

and helped me accomplishing my dissertation. Some people I owe special gratitude: 

Prof. Dr. Axel Hoffmann for the opportunity to research in his group. I am very grateful for the scientific freedom, his constant support, personal commitment and  care  to  the  development  of  his  students  and  their  future.  His  endless enthusiasm and impressive knowledge in the field of solid state physics and joy in teaching were always a strong motivator for my research.  

Prof. Dr. Matthew Phillips  for  the opportunity  to work  in his  research  group during my co‐tutelle studies at the UTS. I am very thankful for his help organizing my PhD  scholarship,  and  I would  like  to express my  gratitude  for his  careful proofreading  and  editing  of  my  thesis.  I  would  also  like  to  thank  the  UTS Graduate Research School for waiving my PhD tuition fees. 

Prof.  Dr.  Friedhelm  Bechstedt  for  support  in  theoretical  physics  and  fruitful discussions that lead to the model of the collexon.  

Prof. Dr. Janina Maultzsch and Prof. Dr. Tadeusz Suski for examining my thesis 

Prof. Dr. Ulrike Woggon for chairing my defense 

Dr. Marc Hoffmann, Dr. Ronny Kirste, the group of Prof. Zlatko Sitar at the NCSU and the group of Prof. Alois Krost at the OVGU for suppling the GaN samples. 

Dr. Gordon Callsen for the collaboration on the collexon paper and creating the measurement setup in the yellow lab. 

Jan Schulze, Dr. Markus Wagner and Dr. Max Bügler for consulting and always having a sympathetic ear for questions. 

Marcus Müller for ultra‐fast CL support and discussion. 

Felix Nippert for Labview support. 

Asmus Vierck, Thomas Kure, Ole Hitzemann, Dr. Dirk Heinrich, Stefan Kalinowski, Amelie  Biermann,  Nadja  Jankowski  and  Sarah  Schlichting  for  help  with measurements.   

Special thanks to my parents and my girlfriend Nadja