Predictive calculation of point-defect phonon scattering in semiconductors

Abstract

Halbleiter sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Werkzeuge und Maschinen, die heutzutage von Menschen verwendet werden. Während intrinsische (reine) Halbleiter bereits begrenzt einsetzbar sind, werden die meisten verbesserten funktionalen Eigenschaften von Halbleitern durch extrinsische Dotierung erreicht. Hinsichtlich der Verbessung der elektrischen Eigenschaften des Systems werden Dotierstoffe danach benannt, ob sie Elektronen abgeben (Donoren) oder aus dem System annehmen (Akzeptoren). Diese Dotierstoffe behindern jedoch auch den Wärmefluß im System und werden als Punktdefekte bezeichnet. Daher ist es für das Design von Geräten unabdingbar geworden, dass dem Effekt der Dotierstoffe sowohl auf die elektrische als auch auf die Wärmeleitfähigkeit des Systems gleichermaßen Beachtung geschenkt wird. Dies liegt daran, dass ein Dotierstoff, der sich als ausgezeichneter Donor oder Akzeptor verhält, den Wärmefluss im System erheblich beeinträchtigen kann, wodurch die Leistung des Geräts beeinträchtigt wird. Während dies bei bestimmten Anwendungen wie der Thermoelektrik von Vorteil ist, ist es für andere Anwendungen wie die Optoelektronik ein limitierender Faktor. In dieser Arbeit untersuchen wir den Effekt von Dotierstoffen auf die Ladungsträgerkonzentration sowie deren Phononenstreuungseigenschaften detailliert. Wir berechnen die \textit Der Schwerpunkt dieser Arbeit besteht darin, den genauen Mechanismus und die Faktoren, die zu einer verstärkten Punktdefekt-Phononenstreuung in Halbleitern führen, im Detail aufzuklären. Für die \ce Außerdem untersuchen wir B- und N-dotiertes 3C-SiC und finden heraus, dass sowohl der neutrale als auch der geladene Zustand der Dotierstoffe in der Bandlücke stabil sind. Wir beobachten, dass der neutrale B$_ Wir erklären dieses komplexe Phänomen mit Hilfe einer einfachen monoatomaren eindimensionalen Kette. Ein Defekt wird in die Kette eingeführt, indem die Wechselwirkungen dreier benachbarter Atome mit Hilfe eines Tersoff-ähnlichen Potentials modifiziert werden, was zu einem Potential mit zwei Minima führt. Wir zeigen, dass bei einer schrittweisen Erhöhung des Bond-Order-Parameters des Potentials die potentielle Energiebarriere zwischen den Potentialminima immer kleiner wird. Diese Abnahme der Potentialbarriere führt dazu, dass sich die beiden Minima einadner annähern und die IFC-Störung zunimmt. Bei ausreichend großer IFC-Störung wird resonante Phononenstreuung beobachtet. Des Weiteren berechnen wir die Wärmeleitfähigkeiten ($\kappa_ Wir finden, dass die relativ neu entwickelte HNEMD-Technik besser geeignet ist, um $\kappa_ Wir erwarten, dass die Erkenntnisse dieser Untersuchung von Punktdefekten dem Design von Geräten helfen werden, die richtigen Dotierstoffe auszuwählen, indem sie ihre Dotierungseigenschaften und Phononstreuungseigenschaften effektiv quantifizieren. Außerdem erwarten wir, dass die parameterfreie \textit

Semiconductors are an indispensable part of the tools and machines used by mankind today. While the intrinsic (pure) semiconductors have limited utility on their own, most of the enhanced functional properties of the semiconductors are achieved through extrinsically doping them. When seen from the perspective of enhancing the electrical properties of the system, dopants are named according to whether they donate (donors) or accept (acceptors) electrons from the system. However, the same dopants also act as a hindrance to the flow of heat in the system and are referred to as point defects. Therefore, it has become imperative for device design that equal attention is paid to the effect of the dopants on both the electrical and the thermal properties of the system. This is because, a dopant which behaves as an excellent donor or acceptor might severely impede the heat flow in the system thereby affecting the device performance. While, in certain applications like thermoelectrics this is beneficial, for others like optoelectronics this is a limiting factor. In the present thesis, we investigate in detail the effect of dopants on the charge carrier concentrations as well as their phonon scattering characteristics. We calculate the \textit For the \ce This is caused by a small asymmetrical relaxation of the B$_ This decrease in the potential barrier results in the two minima moving closer to each other and a subsequent increase in the IFC perturbation. At sufficiently large IFC perturbation a resonant phonon scattering is observed. Further, we calculate the lattice thermal conductivities ($\kappa_ Furthermore, in order to overcome the limitations of the parameterized empirical interatomic potentials used in molecular dynamics (MD) techniques, we also calculate the \textit Furthermore, we expect that the parameter-free \textit