An ab initio study of the properties of doped semiconducting nanowires

Datum: 23 september 2015

Locatie: Campus Groenenborger, gebouw U, lokaal U.025 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Bob Schoeters

Promotor: Bart Partoens & Geoffry Pourtois

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Bob Schoeters - Departement Fysica



Abstract

Dit proefschrift gaat over het effect van dotering op de structurele en elektronische eigenschappen van halfgeleidende nanomaterialen, met de nadruk op halfgeleidende nanodraden. De methode die gebruikt wordt om deze systemen te onderzoeken is dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

In hoofdstuk 1 wordt een inleiding gegeven over de groei van halfgeleidende nanodraden en enkele van de toepassingen. Hoofdstuk 2 behandelt de theorie achter de gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen.

Een inleiding over de structuur en de elektronische eigenschappen van silicium nanodraden, vanuit theoretisch standpunt, wordt gegeven in hoofdstuk 3. In datzelfde hoofdstuk wordt ook een studie beschreven over de band kloof van Si nanodraden, berekend met twee verschillende hybride functionalen (PBE0 en HSE) en via de G0W0 methode. Als we de resultaten van deze drie methoden vergelijken in functie van de diameter van de nanodraden zien we opvallende verschillen. Dit is enigszins verrassend aangezien G0W0 en HSE dezelfde resultaten geven voor bulk silicium. De belangrijkste les die we meenemen uit dit hoofdstuk is dat zelfs indien de methode die we gebruiken goede resultaten geeft voor bulk materialen, het niet noodzakelijk zo is dat deze methode ook goede resultaten geeft voor nanostructuren van hetzelfde materiaal.

Hoofdstuk 4 is opnieuw een theoretisch hoofdstuk dat gaat over de gevolgen van defecten in halfgeleiders. De nadruk in dit hoofdstuk ligt op het verschil tussen ‘deep ’en ‘shallow ’defecten en hoe de eigenschappen van ‘shallow ’defecten veranderen in nanostructuren.

In hoofdstuk 5 worden de resultaten beschreven van de gemengde ‘reactive force field’/DFT studie. Gebruikmakende van moleculaire dynamica simulaties wordt de thermische oxidatie van een 2.0 nm Si nanodraad gemodelleerd. Uit deze simulaties blijkt dat er een belangrijke aanwezigheid is van het Si epoxide defect in deze nanodraad, zowel aan het oppervlak als aan de Si/SiO2 grensvlak. Dit is opvallend aangezien we dit defect enkel verwachten aan het grensvlak, ten gevolge van strain, en niet aan het oppervlak. Daarom hebben we de stabiliteit en elektronische eigenschappen van deze defecten aan het oppervlak van Si nanodraden onderzocht in functie van de diameter. Uit de berekeningen volgt dat dit defect stabieler wordt aan het oppervlak van de nanodraden voor dunnere draden ten gevolge van de toename van de kromming. Het verwijderen van dit defect door hydrogenering zou mogelijk moeten zijn, maar dit wordt moeilijker voor dunne draden.

In de volgende drie hoofdstukken (6,7 en 8) wordt de lokalisatie van doteringen bestudeerd in verschillende types van halfgeleidende nanodraden. Hoofdstuk 6 bevat een studie van B en P doteringen in Si en Si/SiO2 nanodraden. Het gedrag van deze doteringen wordt bestudeerd door te kijken naar de vormingsenergieën van deze dotering op verschillende posities in de nanodraden en in verschillende ladingstoestanden. We merken dat verschillende eigenschappen van de doteringen en de nanodraden een impact hebben op deze energieën. Ten eerste maken we een duidelijk onderscheid tussen de vormingsenergieën voor en na relaxatie, wat ons in staat stelt om het effect van de relaxatie te onderscheiden van andere effecten (-elektronische en grootte effecten, wat we samen de chemische omgeving noemen). Verder bekijken we ook de doteringen in zowel de neutrale ladingstoestand en de geprefereerde geladen toestand, waardoor we een onderscheid kunnen maken tussen verschillende elektronische effecten. Op basis van de verschillende onderzochte effecten zijn we dan in staat om de trends in de vormingsenergieën van de dotering in de nanodraden te begrijpen.

In hoofdstuk 7 kijken we of de inzichten die we verkregen in hoofdstuk 6 ons ook in staat stellen om het gedrag van B en P doteringen in Si/Ge kern-schil nanodraden te begrijpen. Hier worden we wel geconfronteerd met een probleem. Hoe gaan we de vormingsenergieën van doteringen op Si posities vergelijken met degene op Ge posities? Om dit probleem op te lossen kijken we naar de niet gerelaxeerde energieën van vacatures op deze posities, die we dan gebruiken om de chemische potentialen van Si en Ge te definiëren. Gebruikmakende van deze chemische potentialen, kunnen we de vormingsenergieën berekenen, wat we wederom doen voor zowel neutrale als geladen doteringen. Zowel B en P doteringen blijken posities in het Si te prefereren. Door de geladen en de neutrale vormingsenergieën te vergelijken, kunnen we concluderen dat de belangrijkste factor in het bepalen van deze voorkeurposities de gemiddelde lokale bindingslengte is.

Hoofdstuk 8 beschrijft een systematische studie van de geprefereerde lokalisatie van zes verschillende doteringen in vier verschillende typen van III-V nanodraden. De doteringen die we bekijken zijn: C, Si, Ge, Be, Mg en Zn, die we gebruiken om de volgende vier typen nanodraden te doteren: GaAs, InP, InAs en In0.5Ga0.5As. Voor de eerste drie typen nanodraden (GaAs, InP, InAs) kan het gedrag van de doteringen in deze nanodraden verklaard worden op dezelfde manier als het gedrag van B en P doteringen in Si nanodraden, zoals beschreven in hoofdstuk 6. De belangrijkste factor hier is het verschil in grootte tussen het doteringsatoom en het gastheer atoom. Voor de In0.5Ga0.5As nanodraden daarentegen worden er grote verschillen waargenomen in de vormingsenergieën van de dotering op de verschillende groep III posities. De reden is het feit dat er telkens andere types atomen (In en Ga) worden vervangen door de doteringen, wat resulteert in grote verschillen in de vormingsenergieën. Deze grote verschillen kunnen verklaard worden door te kijken naar de gemiddelde lokale bindingslengte rond de doteringen. Niettemin zien we dat vormingsenergieën van de In en de Ga locaties afzonderlijk afvallen van het centrum van de draad naar de rand, wat impliceert dat de posities aan de rand geprefereerd zijn.

In het laatste hoofdstuk, hoofdstuk 9, bekijken we een ander probleem. Het onderwerp van dit hoofdstuk is het gedrag van Si dotering dicht bij het oppervlak van een (110) georiënteerd oppervlak. Experimenteel vindt men dat de ionisatie-energie van deze Si doteringen stijgt als het Si dichter bij het oppervlak gelokaliseerd is. Verder vindt men ook dat deze doteringen een bistabiel gedrag vertonen als ze zich in de uiterste oppervlaktelaag bevinden. Gegeven deze interessante experimentele resultaten, die niet volledig begrepen zijn, onderzoeken we dit probleem aan de hand van DFT simulaties. Aangezien we niet in staat zijn een bulkmateriaal met een oppervlak aan een zijde te simuleren, kiezen we ervoor een dunne GaAs plak te bekijken als testsysteem. De eigenschappen van het systeem waarin we geïnteresseerd zijn, zijn de thermodynamische transitie-niveaus. Hier worden we geconfronteerd met een probleem, aangezien het niet mogelijk is deze transitie-niveaus te berekenen voor systemen die vacuüm bevatten (althans niet met de standaard methodes). De reden is dat de totale energieën van geladen systemen die vacuüm bevatten niet goed gedefinieerd is binnen het DFT formalisme. Om dit probleem te omzeilen, hebben we een methode bedacht die enkel gebaseerd is op geladen posities en neutrale totale energieën. Door gebruik te maken van deze nieuwe methode zijn we in staat om het bistabiele gedrag van de Si doteringen in de oppervlaktelaag van GaAs te bevestigen, in goede overeenstemming met het experiment. De toename van de ionisatie energie, die ook experimenteel werd waargenomen, volgt echter niet uit onze berekeningen. Dit is op zich niet verbazingwekkend aangezien dit ‘shallow ’defecten zijn, die niet/moeilijk te bestuderen zijn met DFT.