Ιδιότητες εκτεταμένων ατελειών και διεπιφανειών σε ημιαγωγικές ενώσεις

Abstract

Since the early ‘90s when the first commercial applications of III-Nitrides reached the market, this group of semiconducting materials has continuously gained ground in the fields of opto- and micro- electronics. Extensive research in the field has led to, among others, improved lightning devices, high density optical data storage, high power/high temperature transistors, chemical and biological sensors. However, their full potential is still to be exploited. This is due to the absence of native substrates, which results in high defect densities, difficulties in controlling Nitrogen incorporation and polarization effects inherent in polar growth. The above break down to manifold problems in terms of optimizing growth and properties of III-Nitrides. Such issues, raised by transmission electron microscopy (TEM) observations and growth experiments, are addressed in the present thesis. Aiming at construing observed phenomena and/or predict materials behaviour under various conditions, we studied surfaces, interfaces and defects in III-Nitrides through interatomic potential and density functional theory calculations.In the following a short introduction on the history, technological importance and basic features of III-Nitrides is initially given. In the subsequent, first part of the thesis, the basic elements of interatomic potential and DFT calculations are presented in order to familiarize the reader with the implemented techniques. In the second part, results of theoretical calculations on surfaces, interfaces and defects in III-nitrides are quoted and discussed relative to their physical origins and impact on materials growth and properties.At first, a detailed analysis of Indium adatom kinetics and incorporation on polar AlN surfaces is accomplished towards optimization of InAlN alloys and InN/AlN heterostructures. Results of surface thermodynamics calculations on semipolar {11-22} AlN and {10-13} GaN are also presented, establishing the origins of the characteristic interplay between semipolar and/or nonpolar orientations. Issues related to optimization of semiconductor/semiconductor heterostructures, crucial for electronic devices, are subsequently discussed. Interatomic potential and DFT calculations results on plastically and elastically relaxed polar AlN/GaN and InN/GaN heterostructures as well as elastically strained semipolar {10-11} and {11-22} AlN/GaN interfaces are presented.Finally, DFT calculations results on the primary III-N dislocations are accessed, demonstrating their effect on the optoelectronic properties of polar, non- and semi- polar material and indicating possible routes for their exploitation. In particular, first principles calculations on Frank-Shockley partial dislocations bounding I1 stacking faults in GaN, a-edge threading dislocations in InN and c-screw threading dislocations in AlN were accomplished.

Οι ενώσεις στοιχείων της ομάδας ΙΙΙ του περιοδικού πίνακα, συγκεκριμένα Γαλλίου, Αργιλίου και Ινδίου, με το Άζωτο αποτελούν πλέον τη βάση ενός πλήθους εφαρμογών στην καθημερινότητά μας. Χαρακτηριστικά αξίζει να αναφερθεί η ευρεία χρήση τους ως μέσα φωτισμού κι εγγραφής δεδομένων αλλά και ως βασικά τμήματα τρανζίστορ, τα οποία αξιοποιούνται σε χημικούς και βιολογικούς αισθητήρες. Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην προσομοίωση εκτεταμένων ατελειών και διεπιφανειών σε ημιαγωγικές ενώσεις ΙΙΙ-Ν. Στο κείμενο που ακολουθεί δίνονται αρχικά κάποια εισαγωγικά στοιχεία για την ιστορία, την τεχνολογική σημασία αλλά και τα βασικά χαρακτηριστικά των ανωτέρω ενώσεων. Το πρώτο τμήμα της διατριβής αποτελεί μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών αρχών των προσομοιώσεων με εμπειρικά δυναμικά και μεθόδους από πρώτες αρχές ενώ στο δεύτερο κομμάτι δίνονται και συζητούνται αναλυτικά αποτελέσματα προσομοιώσεων σε επιφάνειες, διεπιφάνειες και ατέλειες δομής. Η μελέτη των επιφανειών επικεντρώθηκε αρχικά στη κινητική συμπεριφορά και προσρόφηση ατόμων Ινδίου σε πολικές επιφάνειες Νιτριδίου του Αργιλίου. Αναγνωρίστηκαν τα σημεία αυξημένης πιθανότητας προσρόφησης Ινδίου για κάθε πολικότητα, τα αντίστοιχα φράγματα διάχυσης αλλά και οι παράμετροι που ευνοούν την ενσωμάτωση Ινδίου. Εν συνεχεία μελετήθηκε η μορφολογία μερικώς πολικών επιφανειών {11-22} Νιτριδίου του Αργιλίου και {10-13} Νιτριδίου του Γαλλίου. Συσχετίζοντας θεωρία και πείραμα μέσω του χημικού δυναμικού μπορέσαμε να ερμηνεύσουμε την ανταγωνιστική ανάπτυξη των ανωτέρω και/ή μη πολικών προσανατολισμών.Τα δομικά χαρακτηριστικά (πολικότητα, επίπεδο διεπιφάνειας και διεπιφανειακή δομή) πολικών AlN/GaN και InN/GaN ετεροδομών εντοπίστηκαν μέσω προσομοιώσεων με εμπειρικά δυναμικά. Διερευνήθηκαν επίσης, με μεθόδους από πρώτες αρχές, η επίδραση της ανηγμένης παραμόρφωσης και του πάχους των επιμέρους υλικών στις ηλεκτρονιακές ιδιότητες AlN/GaN και InN/GaN ετεροδομών αντίστοιχα. Στο κεφάλαιο των διεπιφανειών, αναγνωρίσθηκαν τέλος οι δομικές και ηλεκτρονιακές ιδιότητες ελαστικά παραμορφωμένων AlN/GaN διεπιφανειών προσανατολισμού {10-11} και {11-22}, οι οποίες αποτελούν τις κύριες διεπιφάνειες κβαντικών τελειών {11-22} GaN σε μήτρα AlN όπως καταδείχθηκε από παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης.Στο τελευταίο κομμάτι της παρούσας διατριβής δίνονται αποτελέσματα ενεργειακών κι ηλεκτρονιακών υπολογισμών σε Frank-Shockley κλασματικές εξαρμόσεις στο Νιτρίδιο του Γαλλίου, οι οποίες αποτελούν μαζί με τα I1 σφάλματα επιστοίβασης τον κυρίαρχο τύπο ατελειών σε μερικώς πολικούς και μη πολικούς ΙΙΙ-Ν ημιαγωγούς. Ανάλογοι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν στον κύριο τύπο ατελειών για πολικά υλικά: τις νηματοειδείς εξαρμόσεις. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν νηματοειδείς εξαρμόσεις ακμής στο Νιτρίδιο του Ινδίου και ελίκωσης στο Νιτρίδιο του Αργιλίου. Εξαρμόσεις χωρίς προσμείξεις μελετήθηκαν και στα τρία υλικά ενώ στο Νιτρίδιο του Αργιλίου διερευνήθηκε επίσης η εισαγωγή Ινδίου κι Οξυγόνου σε πλήθος συνδυασμών. Αποτέλεσμα της ανωτέρω μελέτης ήταν η αναγνώριση των ενεργειακά προτιμητέων σε κάθε περίπτωση πυρήνων. Επιπλέον βρέθηκε ότι οι Frank-Shockley εξαρμόσεις επιδρούν σημαντικά στην ηλεκτρονιακή συμπεριφορά μη πολικού και μερικώς πολικού Νιτριδίου του Γαλλίου καθώς εισάγουν ένα πλήθος σταθμών, χαρακτηριστικό για κάθε εξετασθέντα πυρήνα. Στην περίπτωση του Νιτριδίου του Ινδίου, οι νηματοειδείς εξαρμόσεις συνεισφέρουν σε διαφορετικό βαθμό, ανάλογα με τη δομή του πυρήνα τους, στην εγγενή n-τύπου αγωγιμότητα του υλικού. Τέλος, βρέθηκε ότι όλες οι εξετασθείσες δομές νηματοειδών εξαρμόσεων ελίκωσης στο Νιτρίδιο του Αργιλίου, λειτουργούν ως «μονοπάτια» αγωγιμότητας για τους φορείς. Η συμπεριφορά αυτή είναι εντονότερη όταν σχηματίζεται στον πυρήνα μεταλλικό Ίνδιο ή Οξείδιο του Ινδίου.