Dislocation modeling in III-Nitrides

Abstract

Galliumnitrid und seine Legierungen mit Aluminium und Indium sind direkte Halbleiter und weisen hohe Härte sowie hohe thermischer und mechanischer Stabilität auf. Die Anwendungsgebiete dieser Halbleiter sind breit gefächert. Eine typische Anwendung sind High-Electron-Mobility Transistoren welche die hohe Mobilität des zweidimensionalen Elektronengas ausnützen. Durch die Anwendung von Galliumnitridlegierungen weisen sie hohe Durchbruchsspannungen auf und sind deswegen für die Leistungselektronik von Interesse. Durch das Fehlen von nativen Substraten mit passenden Gitterstrukturen werden Bauelemente auf Galliumnitridbasis auf fremdartige Substrate aufgewachsen. Dabei entsteht eine hohe Dichte von Defekten, welche die Leistungsfähigkeit diese elektronischen Bauelemente negativ beeinträchtigen. Eine dieser Klassen von Defekten sind Versetzungen, welche eine besonders negative Wirkung auf die Leistungsfähigkeit von High-Electron-Mobility Transistoren habe. Um die Dichte dieser Defekte zu verringern werden Mehrschichtstrukturen mit Schichten unterschiedlicher Dicken und Stoffzusammensetzungen verwendet. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erarbeitung von Entwurfsregeln um die Kristallqualität zu erhöhen oder mit anderen Worten die Defektdichte in Galliumnitrid basierten Bauelementen zu senken. Unter Verwendung der Kontinuumsmechanik zur Modellierung der Defekte im Rahmen der linearen Elastizität und der Theorie der Thermodynamik wurde ein tieferes Verständnis über das Verhalten von Versetzungen in diesen Strukturen erlangt. Diese Arbeit ist in sechs Kapiteln gegliedert. Kapitel 1 begründet den weiten Anwendungsbereich von Galliumnitrid und dessen Legierungen in der Elektronik und zeigt das Versetzungen ein primärer Faktor für die Herabsetzung der Leistungsfähigkeit von Bauteilen auf Galliumnitridbasis darstellen. Kapitel 2 handelt von der Theorie der linearen Elastizität in der Modellierung von Versetzungen. In Kapitel 3 wird die allgemeine Elastizitätstheorie auf die Berechnung der Versetzungsenergie und der Gleichgewichtskonfiguration angewendet. In Kapitel 4 wird die Theorie zur Berechnung der kritischen Dicke auf Galliumnitridlegierungen erweitert. Dieser Ansatz basierend auf den Reaktionen zwischen Versetzungen wird in Kapitel 5 auf verschiedenen Mehrschichtstrukturen angewendet um die Dichte der Versetzungen in diesen zu bestimmen. Kapitel 6 fasst die Ergebnisse zusammen.

Gallium nitride and its alloys with aluminium and indium are hard, thermally and mechanically stable direct band gap semiconductors used for a wide range of applications. A recent application is the high electron mobility transistor which is the result of the high two-dimensional electron gas density and the large breakdown field exhibited by using these materials. Due to a lack of a suitable native lattice matched substrate, gallium nitride based devices are grown upon a foreign substrate causing the development of a high density of defects which damage the performance of the device. A particular class of defects called dislocations has a deleterious effect on high electron mobility transistors. In order to achieve desired specifications, it is necessary to reduce the dislocation density by using multilayered structures with varying geometry and composition. The goal of this work is to define design rules to improve the crystalline quality, i.e., to reduce the dislocation density, of gallium nitrided based structures. Continuum theory of dislocations treated within the linear elasticity theory and the laws of thermodynamics are used for gaining understanding and modeling the dislocation development in these structures. This work is structured in six chapters. Chapter 1 describes the reasons why GaN and its alloys are widely used in electronics, and further introduces the dislocations as a primary factor for damage of the device performance. Chapter 2 introduces the elements of linear elasticity theory useful to model dislocations. In Chapter 3, general elasticity theory is applied to evaluate the dislocation energy and their equilibrium configuration. In Chapter 4, theoretical studies of the critical thickness are extended for GaN based alloys. Subsequently (Chapter 5) the reaction-kinetic approach is used to evaluate the dislocation density in different multilayered structures. The main results and conclusions are summarized in Chapter 6.