Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-505
Main Title: Untersuchungen zu Defekten auf und nahe der (110)-Oberfläche von GaAs und weiteren III-V-Halbleitern
Translated Title: Investigation of defects at and below the (110) surface of GaAs and other III-V semiconductors
Author(s): Schwarz, Günther
Advisor(s): Neugebauer, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Intrinsische Punktdefekte spielen eine wichtige Rolle für die elektronischen Eigenschaften von Halbleiteroberflächen, ihre Struktur und Wachstumseigenschaften. Dennoch ist bisher nur wenig über ihre atomare und elektronische Struktur sowie ihre thermodynamischen Eigenschaften bekannt. Zur Simulation dieser Punktdefekte auf und nahe der (110)-Oberfläche von III-V-Halbleitern wurde ein parameterfreies Verfahren auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie eingesetzt. Mit den Rechnungen lassen sich in der Näherung der lokalen Dichte die Eigenschaften von Defekten mit guter Genauigkeit auf atomarer Ebene bestimmen. Dabei konnte in vielen Punkten eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren experimentellen Ergebnissen festgestellt werden. Der Vergleich der Ergebnisse für GaAs, GaP und InP zeigte überwiegend Gemeinsamkeiten in der atomaren Struktur der Punktdefekte und der relativen Stabilität der Störstellen in Abhängigkeit von den chemischen Potentialen. Die in dem verwendeten Verfahren eingesetzten periodischen Randbedingungen können bei der Berechnung isolierter Punktdefekte zu unphysikalischen Wechselwirkungen der Störstellen über die Superzellen hinweg führen. Anhand eines typischen Defekts im Volumen und an der Oberfläche wurde der hierdurch bedingte Fehler bei der Berechnung von Bildungsenergien für verschiedene Superzellen abgeschätzt. Aus den Rechnungen kann man schließen, das die Bildungsenergie von Defekten bereits in Zellen typischer Größe mit guter Genauigkeit berechnet werden kann. Bei der Berechnung von ionisierten Störstellen treten aufgrund der Randbedingungen und der notwendigen Ladungskompensation zusätzliche elektrostatische Wechselwirkungen auf, die zur Vorhersage von verminderten Bildungsenergien von Punktdefekten führen können. An einem Beispielsystem konnte durch die Berechnung des Umladungsniveaus in verschiedenen Superzellen und mit unterschiedlichen Verfahren zur Ladungskompensation dieser mögliche Fehler quantifiziert werden. Es zeigte sich, daß er für einfach geladene Defekte in typischen Volumen- und Oberflächenzellen nicht größer als 0.1eV und damit für viele Fragestellungen vernachlässigbar ist. Alle berechneten Leerstellen an der Oberfläche zeigen einen amphoteren Charakter, d.h. sie wirken kompensierend auf p- und n-dotiertem Material. Im Fall der Phosphorleerstelle auf InP, deren Umladungsniveau experimentell bestimmt wurde, stimmt die Rechnung gut mit dem Experiment überein. Der Vergleich der Rechnungen mit den Experimenten zeigt zugleich anschaulich, wie Punktdefekte das Ferminiveau an der Oberfläche bestimmen. Antistrukturdefekte an der Oberfläche besitzen im Vergleich zu den anderen berechneten Punktdefekten über weite Teile des Variationsbereichs der chemischen Potentiale eine geringe Bildungsenergie. Im thermodynamischen Gleichgewicht sollten sie daher die häufigsten intrinsischen Punktdefekte der Oberfläche sein. Allerdings weisen sowohl der kationische wie der anionische Antistrukturdefekt der Oberfläche keine Umladungsniveaus oder Defektzustände in der Bandlücke auf. Für die Kation- und Anion-Adatome wurde die Potentialhyperfläche als Funktion der lateralen Koordinaten berechnet. Dabei sind die Plätze höchster Symmetrie am günstigsten, auf denen die Adatome an zwei Kationen oder Anionen der Oberfläche gebunden sind. Beide Adatome besitzen eine vergleichsweise geringe, vom Ferminiveau der Oberfläche abhängige Diffusionsbarriere entlang der Zickzack-Reihen der Oberfläche, die konsistent mit der im STM beobachteten hohen Beweglichkeit der Defekte ist. Mit der Simulation von STM-Bildern nach der Theorie von Tersoff und Hamann konnte gezeigt werden, daß die wesentlichen Eigenschaften der (110)-Oberfläche und der intrinsischen Punktdefekte in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen dargestellt werden können. Im Fall der Anionleerstelle wurde gezeigt, daß der Defekt im Grundzustand eine reduzierte Symmetrie im Vergleich zum bei Raumtemperatur aufgenommenen STM-Bild hat. Hier konnte durch die Berücksichtigung thermischer Anregungen des Defekts das experimentelle Bild reproduziert werden. Für den anionischen Antistrukturdefekt unter negativer Probenspannung ergab sich aus der STM-Simulation und dem Experiment eine Verschiebung des Bereichs maximalen Tunnelstroms am Ort des Defekts entgegen der Relaxationsrichtung des Antistrukturdefekts. Dagegen stimmt die Verschiebung der Maxima im simulierten und experimentellen STM-Bild der Galliumleerstelle auf GaP gut mit der atomaren Struktur des Defekts überein. Man kann aus diesen Ergebnissen folgern, daß die Kombination von experimentellen STM-Untersuchungen zusammen mit der auf DFT-Rechnungen basierenden Simulation eine sehr geeignete Methode ist, um die elektronische und atomare Struktur von Punktdefekten zu untersuchen. Dieses Ergebnis sollte sich generell auf halbleitende Oberflächen übertragen lassen.
Intrinsic point defects determine to a great extent the properties of semiconductor surfaces such as the electronic and atomic structure, or the characteristics of growth. Despite their importance, only little is known about the atomic and electronic structure of surface point defects and their thermodynamical properties. This work is dedicated to the systematic study of vacancies, antisite defects and interstitials at the (110) surface of three different III-V semiconductors. Simulations were carried out employing a parameter free method based on density functional theory within the local density approximation. It was shown that the calculations yield an accurate estimate of the atomic and electronic structure, as well as thermodynamic properties of point defects. In many cases the calculations show excellent agreement with available experimental results. Comparing the results obtained for GaAs, GaP, and InP shows similarities of the materials in many respects. These include the atomic structure of point defects as well as the relative stability of the impurities with respect to the chemical potentials. All calculations employ periodic boundary conditions. This affords numerically efficient calculation of defect-free bulk and surface systems without unwanted effects due to artificial borders. However, when calculating isolated defects in a supercell approach, periodic boundary conditions might result in non-physical coupling of the defects via the cell boundaries. The error induced by this effect when calculating formation energies was estimated for a typical defect in bulk and at the surface. From these calculations one might conclude that the formation energy of point defects might be calculated with satisfying precision in cells with typical volume for DFT calculations. When calculating ionized impurities, localized charges in the supercell, together with the necessary charge compensation within the cell, cause additional electrostatic interactions due to the boundary conditions. They might result in underestimating the formation energy of point defects. This possible error could be quantified by the investigation of an example system including tests for supercells of varying volume and with different schemes for the charge compensation. The calculations show that the error is smaller than 0.1 eV for singly charged defects in typical bulk and surface supercells. It is therefore negligible in many cases. All vacancies calculated at the surface show an amphoteric character. Thus they compensate p- as well as n-type material. In the case of the Phosphorus vacancy on InP (110) where the charge transfer level is known from experiments we find good agreement between the calculated and the experimental value. Comparing the calculations with experiment also gives a descriptive view of how point defects determine the Fermi level at the surface. Antisite defects are characterized by a low formation energy as compared to the other point defects calculated. This holds for a large range of chemical potentials. They should therefore be the most prominent type of intrinsic surface point defects in thermodynamic equilibrium. However, the cationic as well as the anionic antisite defect at the surface do not show charge transfer levels or defect states in the band gap. Both for cationic as well as anionic adatoms, the potential energy surface was calculated as a function of lateral coordinates. Thereby, positions of highest symmetry where the adatoms are bound to either two cations or anions at the surface are found to be the preferred sites. Both adatoms show a low migration barrier along the zig-zag chains of surface atoms which depends on the position of the surface Fermi level. This low barrier is consistent with the high mobility of adatoms as found in STM experiments. Simulations of STM images within the theory of Tersoff and Hamann showed good agreement with experiments with regard to the most important features of the (110) surface and to intrinsic point defects. For the anionic vacancy the ground state symmetry of the defect is reduced as compared to the STM image taken at room temperature. Agreement between simulation and experiment was achieved when calculating the relevant potential energy surface which allowed for taking thermal excitations into account. Both in STM simulation and experiment under negative voltage, the anionic antisite defect features a shift of the defect related maximum with respect to the atomic relaxation. In contrast, in the case of the Gallium vacancy at GaP (110), the shift of the maxima in simulation and experiment agrees well with the atomic structure of the defect. These results demonstrate that combining experimental STM studies with density functional theory based simulations is a powerful method to investigate the electronic and atomic structure of point defects. This result should hold in general for semiconductor surfaces.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-4075
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/802
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-505
Exam Date: 1-Nov-2002
Issue Date: 25-Nov-2002
Date Available: 25-Nov-2002
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): DFT
Dichtefunktionaltheorie
Festkörperphysik
Fhi98md
Ga
GaAs
Halbleiter
LDA
Materialwissenschaften
Oberflächen
Physik
Simulation
Theorie
Computational physics
Density functional forma
Density functional theory
Materials science
Simulation
Solid state physics
Surface science theory
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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