Διεπιφάνειες, ατέλειες και πεδία παραμόρφωσης σε κραματικές και στρωματικές ετεροδομές-νανοδομές σύνθετων ημιαγωγών
Authors: Μπαζιώτη Καλλιόπη 
Published: September 2021

Η διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη μελέτη των δομικών ιδιοτήτων επιταξιακών υμενίων (0001) InGaN με υψηλές συγκεντρώσεις ινδίου. Αυτά τα κράματα των III-Ν σύνθετων ημιαγωγών είναι ιδιαίτερα σημαντικά για εφαρμογές φωτοβολταϊκών στοιχείων υψηλής απόδοσης, καθώς και για προηγμένες οπτοηλεκτρονικές διατάξεις LED και λέιζερ που αποδίδουν σε όλη τη φασματική περιοχή από το κοντινό υπεριώδες έως το υπέρυθρο. Εξετάστηκαν τόσο παχέα υμένια InGaN όσο και εσωτερικά στρώματα και κβαντικά φρέατα InGaN καθώς και υπερδομές InN/GaN. Οι τελευταίες παρουσιάζουν ενδιαφέρον για εφαρμογές ως τοπολογικοί μονωτές σε spintronics και κβαντικούς υπολογιστές. Μελετήσαμε επίσης τις δομικές ιδιότητες δισδιάστατων (2D) σύνθετων ημιαγωγών και τοπολογικών μονωτών ενώσεων του σεληνίου, που είχαν εναποτεθεί επιταξιακά σε υποστρώματα (0001) AlN. Αναλύθηκαν οι δομικές ιδιότητες και η ελαστοπλαστική συμπεριφορά στη νανοκλίμακα με τη χρήση μεθόδων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM). Χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικές προσομοιώσεις εικόνας και ποσοτική ανάλυση της παραμορφωσιακής κατάστασης στη νανοκλίμακα με τη βοήθεια περίθλασης ηλεκτρονίων, ανάλυση γεωμετρικής φάσης (GPA) και μέθοδο προσδιορισμού μεγίστων έντασης (PF) σε εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας. Επιπλέον εφαρμόστηκε τοπολογική θεωρία και τον a priori και a posteriori χαρακτηρισμό των δομικών ατελειών.Οι δομικές ιδιότητες των υμενίων InGaN υψηλής περιεκτικότητας ινδίου μελετήθηκαν σε σχέση με τις συνθήκες ανάπτυξης και τον τύπο του υποστρώματος. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στο δομικό και χημικό χαρακτηρισμό ενός αυθόρμητα σχηματισμένου στρώματος διαχωρισμού το οποίο αποτελεί το σύνορο για την εισαγωγή εκτεταμένης πλαστικής παραμόρφωσης διαμέσου της πυρηνοποίησης σφαλμάτων επιστοίβασης και νηματοειδών εξαρμόσεων. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκα μέθοδοι TEM, STEM, GPA και EDXS.Επιπρόσθετα, ταυτοποιήθηκε ένας μηχανισμός εισαγωγής ατελειών σε ετεροδομές III-N τόσο χαμηλής όσο και υψηλής κραματικής σύστασης. Συγκεκριμένα, αναλύθηκε μηχανισμός εισαγωγής νηματοειδών εξαρμόσεων από σφάλματα επιστοίβασης, συνδυάζοντας παρατηρήσεις (HR)TEM, GPA, και τοπολογική ανάλυση.Μελετήθηκαν επίσης ενδιάμεσα στρώματα και κβαντικά φρέατα InGaN όπως και υπερδομές InN/GaN μικρής περιόδου. Τα κύρια θέματα αφορούσαν την απόδοση της ενσωμάτωσης του ινδίου σε σχέση με το πάχος της νανο-ετεροδομής, της αφηρέμηση της παραμόρφωσης και την κατανομή του πεδίου της, καθώς και την κατανομή της χημικής σύστασης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις HRTEM και HRSTEM σε συνδυασμό με αναλύσεις GPA και PF. Τέλος, προσδιορίστηκαν οι δομικές ιδιότητες δισδιάστατων επιταξιακών ημιαγωγών ενώσεων του σεληνίου που είχαν αναπτυχθεί σε υποστρώματα ΙΙΙ-Ν. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκαν οι διεπιφανειακές δομές, η επιταξιακή ανάπτυξη και οι δομικές ατέλειες 2D ημιαγωγών άμεσου ενεργειακού χάσματος, και συγκεκριμένα των MoSe2 και HfSE2, καθώς και του τοπολογικού μονωτή Bi2Se3 τόσο υπό μορφή απλών υμενίων όσο και σύνθετων συνδυασμών αυτών. Για την ανάλυση νανοδομών πάχους μόλις μερικών ατομικών επιπέδων εφαρμόστηκε εκτεταμένη προσομοίωση των εικόνων HRTEM.