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Main Title: Growth Simulations of InAs/GaAs Quantum-Dots
Translated Title: Wachstums-Simulationen von InAs/GaAs Quanten-Punkten
Author(s): Hammerschmidt, Thomas
Advisor(s): Scheffler, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Halbleiter Nanostrukturen, insbesondere Quanten-Punkte (QP), haben vielversprechendes Potenzial für technische Anwendungen wie Leucht-Dioden, Laser, neue Bauelemente und Quanten-Computer. Die große Zahl benötigter QP (weniger als Milliarden sind kaum nützlich) übersteigt jedoch die Möglichkeiten normaler Herstellungsmethoden. Zum Durchbruch dieser Nanotechnologie müssen sich die QP durch Selbst-Aufbau und Selbst-Organisation selbst bilden. In dieser Arbeit untersuchen wir InAs QP Wachstum auf GaAs Substraten. Dazu haben wir ein Viel-Körper-Potenzial vom Abell-Tersoff Typ entwickelt, welches die Energie-Bilanz des Verspannungs-Abbaus und der Bildung von QP Flächen während des QP Wachstums beschreiben kann. Es reproduziert mit guter Genauigkeit simultan viele, experimentell und mit Dichte-Funktional-Theorie (DFT) Rechnungen bestimmte, mikroskopische Eigenschaften von In, Ga, As, GaAs, und InAs Kristallen, sowie GaAs und InAs Oberflächen. Die Vorhersagen für biaxial verspanntes GaAs und InAs stimmen gut mit DFT Rechnungen und analytischen Ergebnissen aus Kontinuums-Elastizitäts-Theorie überein. Anhand von neuen STM Resultaten konstruieren wir detaillierte atomare Strukturen von InAs QP mit InAs Benetzungs-Filmen und homogene InAs Filme auf GaAs, relaxieren sie mit unserem Potenzial und vergleichen die gewonnenen Gesamt-Energien. Wir zeigen, daß die laterale elastische Wechselwirkung bei „hut“-artigen QP, die von {317} Flächen dominiert werden, deutlich stärker ist als bei „dome“-artigen QP, die von {101} Flächen dominiert werden. Eine Verspannungs-Tensor Analyse zeigt, daß dieser Effekt von der relativen Lage der QP Flächen zu den elastischen Hauptachsen stammt. Das berechnete Einsetzen des Stranski-Krastanov Wachstums bezüglich der InAs Bedeckung stimmt gut mit experimentellen Daten überein. Der kritische Keim für QP Bildung ist etwa 70 In Atome groß und stellt eine Energie-Barriere von 5.3 eV dar. Die experimentell beobachtete Abfolge von QP Formen können wir durch das Auftreten unterschiedlicher Stabilitäts-Regime erklären. Deren Grenze hängt stark von chemischen Potenzialen und der QP Dichte ab. Die experimentell gefundenen vertikalen Wachstums-Korrelationen in gestapelten QP Lagen können mit einem deutlichen Minimum in der Potenzial-Energie-Oberfläche (PEO) von freistehenden QP in verschiedenen lateralen Positionen über vergrabenen QP erklärt werden. Bei größerem Abstand der gestapelten QP wird dieser Effekt kleiner. Der berechnete Energie-Gewinn kann die Energie-Barriere für QP Nukleation auf 3.5 eV und die kritische Keim-Größe auf 25 In Atome verringern. Ferner haben wir zur Untersuchung eventueller kinetischer Effekte mit DFT Rechnungen die PEO für In Adsorption auf Flächen, die „hut“- und „dome“-artige QP dominieren, berechnet. Die Haupt-Diffusionspfade sind senkrecht und parallel zu den QP Höhenlinien auf {317} Flächen, aber nur senkrecht dazu auf {101} Flächen. Der In Einbau auf {317} Flächen könnte wegen der hohen Barriere zur Spaltung der As Dimere von etwa 1 eV kinetisch limitiert sein. Die Diffusionsbarriere auf {101} Flächen ist am Fuß von „dome“-artigen QP erniedrigt und stützt damit die Interpretation der {317} Flächen an der Spitze als kinetischen Effekt.
Semiconductor nanostructures, and particularly quantum dots (QDs), have promising potential for technical applications such as light-emitting diodes, lasers, new devices, and quantum computers. But the big number of QDs needed, less than billions are hardly useful, is far beyond the means of normal manufacturing methods. For this nanotechnology to prevail, the QDs have to build themselves by self-assembly and self-organization. In this work, we study the growth of InAs QDs on GaAs substrates. For this purpose we developed a many-body potential of the Abell-Tersoff type that is able to account for the energetic balance of strain relief and QD side-facet formation during QD growth. It simultaneously captures many microscopic quantities of In, Ga, As, GaAs, and InAs bulk phases, as well as GaAs and InAs surface structures as obtained from experiment and density-functional theory (DFT) calculations with good overall accuracy. Its predictions for biaxial strained GaAs and InAs are in good agreement with DFT calculations and analytic results of continuum-elasticity theory. Based on recent STM results, we set up detailed atomic structures of InAs QDs with InAs wetting layers and homogenous InAs films on GaAs, relax them with our potential, and compare the resulting total energies. We show that the lateral elastic interaction of hut'-like QDs dominated by {317} facets is significantly larger than that of dome'-like QDs dominated by {101} facets. A strain-tensor analysis suggests that this effect is due to the relative orientations of the QD side facets to the elastic principal axes. Our calculated onset of the Stranski-Krastanov growth mode with respect to the InAs coverage is in good agreement with experimentally deduced values. The critical nucleus for QD formation is approximately 70 In atoms in size and poses an energy barrier of 5.3 eV. Furthermore, we can explain the experimentally observed shape sequence of hut'-like QDs and dome'-like QDs through the finding of distinct stability regimes. The regime separation depends strongly on the chemical potentials and the QD density. The experimental finding of vertical growth correlation in QD stacks can be explained by a distinct minimum in the potential-energy-surface (PES) of free-standing QDs in different lateral positions above overgrown QDs. This effect vanishes with increasing distance between the stacked QDs. The energy gain observed in our calculations can lower the energy barrier for QD formation to 3.5 eV and the size of the critical nucleus to only 25 In atoms. Additionally, we calculated the PES for In adsorption on surfaces that correspond to major side facets of hut'- and dome'-like QDs by means of DFT to study possible kinetic effects. The dominating diffusion paths are perpendicular and parallel to the QD contour lines on {317} facets, but only perpendicular on {101} facets. The In incorporation on {317} facets could be kinetically limited due to the high barrier of approximately 1 eV for breaking As dimers. The diffusion barriers on {101} facets are lowered near the bottom of dome'-like QDs, which supports the interpretation of the {317} facets on top as kinetic effect.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13585
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1721
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1424
Exam Date: 10-Jul-2006
Issue Date: 11-Sep-2006
Date Available: 11-Sep-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): DFT
InAs/GaAs
Quantenpunkte
Viel-Körper-Potenzial
Wachstum
DFT
Growth
InAs/GaAs
Many-body potential
Quantum dots
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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