Μελέτη ηλεκτρονικών και ελαστικών ιδιοτήτων ημιαγωγικών ενώσεων ΙΙΙ-νιτριδίων από παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας

Abstract

The aim of the present thesis was the study of the electronic, structural and elastic properties of III-nitrides and their alloys using both experimental techniques in the Transmission Electron Microscope and theoretical calculations. The electronic properties of GaN, AlN and InN semiconductor compounds as well as the VEELS spectra were calculated by the AIMPRO. The local concentration alterations of Indium and Oxygen in InAlN thin films with V-defects were investigated by the STEM EELS method. The complete analysis of the N K- edge fine structure in the experimental ELNES spectra along with ELNES simulations showed Ιndium diffusion and Oxygen contamination in the V-defects observed in the InAlN thin films. Experimental VEELS spectra as well as ELNES spectra presenting the C K-edge, the N K-edge and the In M4,5-edge were taken from the GaN base-part, the GaN spacer and the InGaN nanodisks of a nine period GaN/InGaN heterostructure on GaN nanowires. The broadening and shifting of the edges in the spectra revealed variation of Indium concentration as well as strain induced in the nanodisks but not in the GaN nanowire. The TELNES.2 program of the WIEN2k was implemented for the study of the electronic properties of InAlN thin films and InGaN nanostructures. EELSMODEL was used to calculate the Indium content in the InGaN nanodisks at 22%. To investigate the strain in GaN/InN heterostructures the elastic constants of GaN and InN structures were calculated. The ABINIT code and DFT theory was used in order to compute the Energy Densities in different strain states and examine the elastic properties in strain range from 1% to 10%. A new method that studies separately the compressive and tensile strain was applied from 3%-7% where the elastic constants were calculated using a 1% step. The non-linear behaviour in GaN/InN heterostructures was associated to the plateau in the U2 Energy Density over positive 7% strain in both GaN and InN.

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη των ηλεκτρονικών, δομικών και ελαστικών ιδιοτήτων των ΙΙΙ- νιτριδίων και των κραμάτων τους με την χρήση πειραματικών τεχνικών σε Μικροσκόπιο Διερχόμενης Δέσμης καθώς και με θεωρητικούς υπολογισμούς. Οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των ημιαγωγικών ενώσεων GaN, AlN και InN καθώς και τα φάσματα VEELS υπολογίστηκαν με τον κώδικα AIMPRO. Οι διαφοροποιήσεις στην τοπική συγκέντρωση του Ινδίου και του Οξυγόνου στα λεπτά υμένια InAlN με ατέλειες σχήματος-V ερευνήθηκαν με την μέθοδο STEM EELS. Η ολοκληρωμένη ανάλυση της λεπτής υφής της Κ κορυφής του αζώτου ( N K-edge) σε πειραματικά φάσματα ELNES σε συνδυασμό με προσομοιώσεις φασμάτων ELNES υπέδειξαν διάχυση του Ινδίου και προσμείξεις Οξυγόνου στις ατέλειες σχήματος – V στα λεπτά υμένια InAlN. Πειραματικά φάσματα VEELS καθώς και φάσματα ELNES που παρουσιάζουν την C K-edge, την N K-edge και την In M4,5-edge λήφθηκαν από την βάση GaN, τα φράγματα GaN και τους νανοδίσκους InGaN σε νανοσύρματα GaN που περιέχουν ετεροδομή εννιά περιόδων GaN/InGaN. Το εύρος και η μετατόπιση των κορυφών των φασμάτων αποκαλύπτει μεταβολές στην συγκέντρωση του Ινδίου καθώς επίσης και στην παραμόρφωση που υπεισέρχεται στους νανοδίσκους αλλά όχι στο νανοσύρμα GaN. Το πρόγραμμα TELNES.2 του κώδικα WIEN2k εφαρμόστηκε για την μελέτη των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων InAlN και νανοδομών InGaN. Το EELSMODEL χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης του Ινδίου στους νανοδίσκους InGaN σε 22%. Για την διερεύνηση της παραμόρφωσης στις ετεροδομές GaN/InN υπολογίστηκαν οι ελαστικές σταθερές των ενώσεων GaN και InN. Ο κώδικας ABINIT και η θεωρία DFT με σκοπό να υπολογιστούν οι Ενεργειακές Πυκνότητες σε διαφορετικές καταστάσεις παραμόρφωσης και να εξεταστούν οι ελαστικές ιδιότητες σε εύρος από 1% έως 10%. Μια νέα μέθοδος που μελετά ξεχωριστά τη συμπίεση και τον εφελκυσμό εφαρμόστηκε από 3% έως 7% όπου υπολογίστηκαν οι ελαστικές σταθερές με βήμα 1%. Η μη γραμμική συμπεριφορά σε ετεροδομές GaN/InN συσχετίστηκε με το πλατό στην Ενεργειακή Πυκνότητα U2 πάνω από θετική τιμή παραμόρφωσης 7% στις ενώσεις GaN και InN.