Ελαστοπλαστική συμπεριφορά ετεροδομών νιτριδίου του Ινδίου ανεπτυγμένου σε υποστρώματα (0001) GaN
Creators: name: Χατζοπούλου, Πολυξένη Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης
Σύνθετοι ημιαγωγοί ΙΙΙ-Ν
Ατέλειες Δομής
Transmission electron microscopy
III-N compound semiconductors
Extended defects

description: Το InN παρουσιάζει τις καλύτερες ηλεκτρικές ιδιότητες και το μικρότερο ενεργειακό χάσμα (~0.7eV) από όλους τους υπόλοιπους ημιαγωγούς της κατηγορίας ΙΙΙ-Ν. Ο συνδυασμός των χαρακτηριστικών αυτών αυξάνει τις προοπτικές του υλικού για τη χρήση του σε εμπορικές εφαρμογές που αφορούν τρανζίστορ HEMT, ηλεκτρονικές διατάξεις ισχύος, οπτοηλεκτρονικές διατάξεις κα. Παρ’ όλα αυτά, η δυσκολία ανάπτυξης κρυστάλλων υψηλής ποιότητας δυσχεραίνει την αξιοποίηση του υλικού, αφού οι ηλεκτρικές ιδιότητες των αναπτυχθέντων κρυστάλλων είναι υποβαθμισμένες σε σχέση με τις θεωρητικά προβλεπόμενες. Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο γενικότερο πλαίσιο μελέτης της επίδρασης των ατελειών δομής στις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Μελετήθηκε μια σειρά υμενίων InN μεγάλου πάχους ανεπτυγμένων με επιταξία μοριακής δέσμης (MBE) πάνω σε υποστρώματα (0001) MOVPE GaN/Al2O3. Η μελέτη έγινε με μεθόδους συμβατικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (CTEM) καθώς και με ΤΕΜ υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM). Εξετάστηκε η γενική μορφολογία των δειγμάτων, το είδος των ατελειών και η κρυσταλλική ποιότητα των υμενίων καθώς και των διεπιφανειών. Η στοιχειομετρική ροή In:N σε θερμοκρασία ανάπτυξης 455°C και με ρυθμό εναπόθεσης 243 nm/h προσδιορίστηκαν ως οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης. Συνθήκες χαμηλών θερμοκρασιών ανάπτυξης και ρυθμών εναπόθεσης βρέθηκε να καταλήγουν σε κρυσταλλικές δομές με πολλαπλά σφάλματα επιστοίβασης και υπολειμματική ελαστική παραμόρφωση. Οι νηματοειδείς εξαρμόσεις, που στην πλειοψηφία τους ήταν τύπου ακμής, εντοπίστηκαν σε σειρές στα όρια νησίδων με μέση διάμετρο 300 nm. Ηλεκτρικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με συμπληρωματικές τεχνικές, ανέδειξαν τη μείωση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων και την αύξηση της ευκινησίας τους, με την ταυτόχρονη αύξηση του πάχους των δειγμάτων. Παρατηρήθηκε ότι η αύξηση του πάχους των υμενίων οδηγεί στη μείωση της πυκνότητας των νηματοειδών εξαρμόσεων, η οποία επέρχεται μέσω των μεταξύ τους αντιδράσεων. Το πλήθος των αλληλεπιδράσεων είναι ανάλογο της σχετικής κλίσης των εξαρμόσεων από τη διεύθυνση [0001]. Ο μέγιστος αριθμός αλληλεπιδράσεων εντοπίστηκε κοντά στη διεπιφάνεια, όπου παρατηρήθηκε αυξημένη κλίση έως και 60°. Στο τελευταίο κεφάλαιο, μελετήθηκε η διαδικασία πλαστικής αφηρέμησης μέσω της εισαγωγής εξαρμόσεων συναρμογής και τροποποιήθηκε η σχέση ενεργειακής ισορροπίας του μοντέλου των People-Bean για το σύστημα InxGa1-xN. Προσδιορίστηκε η μαθηματική σχέση για τον υπολογισμό του κρίσιμου πάχους, μέσω της εξαγωγής του ενεργού εύρους του πεδίου παραμόρφωσης των εξαρμόσεων συναρμογής χρησιμοποιώντας προσαρμογή σε πειραματικά δεδομένα.
description: InN exhibits the best electrical properties and has the smallest energy gap (~0.7eV) among all III-N semiconductors. These characteristics make the material highly suitable for commercial applications involving high electron mobility transistors (HEMTs), high power electronic devices, optoelectronic devices etc. However, the existing difficulty in manufacturing high quality InN crystals results in the deterioration of its physical properties and the subsequent inadequacy for device applications. The present study falls within the general framework of investigation concerning the correlation between the bulk electrical properties with the defect content of InN high quality crystals. A series of InN epilayers grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE) on (0001) GaN/Al2O3 MOVPE templates was studied with conventional and high-resolution transmission electron microscopy (CTEM and HRTEM). The microstructure of the films, their defect contents and their structural quality, along with the crystal quality of the heterointerfaces, were investigated. Optimum growth conditions were identified for stoichiometric In:N flux ratio, 455°C substrate temperature, and 243 nm/h deposition rate. Low growth temperatures and low growth rates appeared to result in the introduction of multiple overlapping basal stacking faults that were correlated to in-plane residual elastic strain. Threading dislocations (TDs), mainly edge type, were located at the coalescence boundaries of misoriented islands, with an average diameter of 300 nm. Electrical measurements revealed that electron mobility increases, while electron concentration decreases as the film thickness grows. These patterns where attributed to TD density reduction after dislocation interactions. TD interactions were promoted by their inclination with respect to the [0001] direction. The majority of interactions took place close to the interface, where ascending dislocations assumed greater inclination angles, up to 60°. The process of plastic relaxation was studied in the last chapter of the thesis using the People-Bean energy balance model for the InxGa1-xN system. Herein, the mathematical expression for the critical thickness was modified. The corresponding relation was extracted after the evaluation of the dislocation effective elastic field range from available experimental data for the InxGa1-xN system.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)