Εκτεταμένες ατέλειες σε ημιαγωγικές ενώσεις: [υπό] Ιωσήφ Π. Κιοσέογλου

Abstract

The study reported in this thesis is related to Gallium Nitride based semiconducting layers whose industrial development needs a strong support from fundamental approaches. III-V materials are compound semiconductor with large direct band-gap are nowadays used for the production of optoelectronic devices in blue and ultraviolet wavelengths and in high frequency and high temperature transistors. GaN epitaxial layers with the wurtzite crystal structure are usually grown on cplane sapphire substrate using different deposition techniques. They commonly contain misfit and threading dislocations, basal and prismatic stacking faults, nanopipes, and inversion domain boundaries. It is challenging that devices comprising this material exhibit satisfactory performance despite the large density and multiplicity of microstructural defects. The aim of this thesis is to define and analyse the structural and energetic characteristics of extended defects in GaN layers. Experimental observations, using high resolution electron microscopy (HRTEM), provide the microstructural investigation at the atomic level. Morphological and structural analysis of extended defects in GaN films is performed using the topological theory of interfacial defects, the geometric phase method and computer simulation of HRTEM images. In particular, the initial atomic configurations were established a priori using crystallography and topological theory or by employing displacements expected from elasticity theory. Empirical potential and ab-initio calculations are employed to define the energetic relaxation of the defect configurations and the energetic favourable models, which are encounter in GaN films. Although the energies of many of the isolated planar defects observed in epitaxial GaN layers have been determined using ab initio calculations, the total energy of large scale atomic configurations involving different planar defects cannot be easily calculated, for supercells exceed 10,000 atoms. For this purpose, we modified the Stillinger-Weber empirical potential in order to achieve a satisfactory description of the microstructure and the energetics of extended defects. The formulation is based on the adjustment of the parameters in order to represent the Ga-Ga, N-N and Ga-N bonds. The input data are taken for different crystalline phases of gallium, nitrogen and GaN. A satisfactory agreement on the values of the energy versus atomic volume per atom are obtained compared to those derived by ab-initio calculations and experimental data for all the cases studied. By employing the modified Stillinger-Weber potential the energy of inversion domain boundaries (IDBs), basal stacking faults (SFs) and translation domain boundaries (TDBs), which have been observed experimentally in GaN thin films, are calculated providing results comparable with ab-initio calculations.

Στην παρούσα διατριβή μελετώνται ημιαγωγικά υμένια που βασίζονται στο Νιτρίδιο του Γαλλίου, τα οποία εμφανίζουν εξαιρετικές εφαρμογές στα κυανά και υπεριώδη μήκη κύματος σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις καθώς και σε διατάξεις τρανζίστορ υψηλών συχνοτήτων και υψηλών θερμοκρασιών. Τα υπό μελέτη υλικά είναι III-V ημιαγωγοί με ευρύ άμεσο ενεργειακό χάσμα. Τα επιταξιακά υμένια των σύνθετων III-V ημιαγωγών με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου αναπτύσσονται, συνήθως, με δομή του βουρτσίτη, πάνω στο c-επίπεδο του σάπφειρου με τη χρήση των πλέον σύγχρονων τεχνικών ανάπτυξης όπως η επιταξία μοριακής δέσμης και η μεταλλοργανική χημική εναπόπθεση ατμών. Τέτοιου τύπου λεπτά υμένια συνήθως περιέχουν μεγάλη πυκνότητα ατελειών δομής όπως είναι οι εξαρμόσεις κακής συναρμογής και οι νηματοειδής, τα σφάλματα επιστοίβασης, τα όρια ανάστροφης πολικότητας και οι νανοσωλήνες. Προκαλεί ενδιαφέρων ότι διατάξεις με βάση τις παραπάνω ημιαγωγικές ενώσεις παρουσιάζουν ικανοποιητικές αποδόσεις παρά το μεγάλο πλήθος και την πολλαπλότητα των ατελειών που συναντώνται. Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάλυση των δομικών ιδιοτήτων και η μελέτη της ενέργειας και των δομών ηρεμίας των εκτεταμένων ατελειών των υμενίων GaN. Η μελέτη της μικροδομής των υμενίων γίνεται σε ατομικό επίπεδο από πειραματικές παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM). Η μορφολογική και δομική ανάλυση των εκτεταμένων ατελειών γίνεται με την βοήθεια της τοπολογικής θεωρίας, της απεικόνισης και ανάλυσης φάσης των HRTEM παρατηρήσεων και των εικόνων προσομοίωσης. Ειδικότερα, οι αρχικές ατομικές δομές προσδιορίζονται είτε με τη βοήθεια της κρυσταλλογραφίας και της τοπολογικής θεωρίας είτε με τον υπολογισμό του πεδίου μετατοπίσεων βάσει της ελαστικής θεωρίας. Ενεργειακοί υπολογισμοί με την χρήση εμπειρικού δυναμικού και ab initio μεθόδων χρησιμοποιούνται για την εύρεση των ατομικών δομών χαμηλότερης ενέργειας και άλλων χαρακτηριστικών των εκτεταμένων ατελειών. Παρόλο που οι ενέργειες των μεμονωμένων επίπεδων ατελειών