Modeling III-V semiconductor interfaces at an atomistic level using empirical potentials

Abstract

III-V Halbleiter Heterostrukturen bilden die Grundlage für viele elektronische und optoelektronische Bauelemente, die über die gewöhnliche Silizium basierteTechnologie hinausgehen, und wurden aus diesem Grund in der Vergangenheit bereits eingehend untersucht. Sehr detaillierte Informationen konnten dabei zu den verwendeten Materialien, insbesondere deren spezifischen Eigenschaften, gewonnen werden jedoch wurden die Übergänge zwischen zwei unterschiedlichen Materialien oft als optimal angenommen und daher vernachlässigt. Dies ist bei modernen Bauelementen nicht mehr zulässig da bereits gezeigt wurde, dass die Rauigkeit an solchen Übergängen das Verhalten von Bauelementen empfindlich beeinflussen kann. Aufgrund der ständig schrumpfenden Baugröße ist zu erwarten, dass sich dieser Effekt noch verstärken wird. Diese Arbeit stellt aus diesem Grund neue Methoden vor, um Materialübergänge zwischen unterschiedlichen III-V Halbleitern mittels empirischen Potenzialen zu modellieren. Letztere bieten die Möglichkeit, sehr einfach die chemischen Verbindungen and folgedessen die interne Struktur von Halbleiterkristallen zu beschrieben. Verglichen zu anderen Methoden, welche normalerweise die Materialeigenschaft in einer kontinuierlichen Art und Weise beschreiben, erlauben es empirische Interaktionspotenziale die kristalline Struktur sowie lokale Variationen der Materialzusammensetzung und den daraus resultierenden Verspannungen exakt zu beschreiben. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, einen Algorithmus zu enwerfen, der in der Lage ist Materialübergänge zu generieren, die ein energetisches Optimum darstellen. Die benutzten Methoden versuchen dabei die Wachstumsprozesse, die in der Natur beobachtet wurden, so exakt als möglich nachzuvollziehen um physikalisch sinnvolle Resultate zu erhalten. Die einzelnen Materialübergänge werden dafür zuerst auf Basis von perfekten Kristallen erzeugt und anschließend relaxiert. Dieser letzte Schritt ermöglicht es jedem einzelnen Atom, sich die energetisch optimale Position im Kristallgitter zu suchen. In einem letzten Schritt wird nicht nur die totale Energie sondern auch die Verspannung von einzelnen Atomverbindungen analysiert, um tiefere Einblicke in das elektrische Verhalten an den Grenzflächen zu erlangen. Schlussendlich wurde der Algorithmus benutzt um detaillierte Resultate für die Materialsysteme GaSb/InAs, AlSb/InAs und InGaAs/InAlAs zu erlangen, wozu die Rechenkraft des Vienna Scientific Cluster maßgeblich verwendet werden konnte.

III-V semiconductor heterostructures provide a solid basis for electronic and optoelectronic devices beyond conventional silicon-based CMOS technology and have therefore been the subject of thorough investigations in the past. Very detailed information have been achieved so far regarding the properties of single materials, however interfaces were assumed to be ideal and therfore neglected in most models. Such simplifications can not be justified any more since it was already shown that interface roughness influences the electronic characteristics of devices. Furthermore, increasing complexity and shrinking feature size will push the importance of interfaces in the future even further. This work provides therefore a detailed introduction on methods to model interfaces between III-V semiconductor materials using empirical potentials. The latter provide an efficient way to model chemical bonds and therefore the structural description of multi-layer structures. Compared to other approaches, which commonly describe the material properties in a continuum approach, empirical interaction potentials can be used to thoroughly model the crystalline structure, as well as potential local variations in the material composition and resulting strain. The main topic of this thesis was the development of an algorithm to generate interface configurations, which are optimized with respect to their total energy. These procedures therby try to imitate growth processes observed in nature as closely as possible to achieve physical reasonable solution. Interfacial structures are first created at the basis of an ideal lattice and then allowed to relax using Metropolis Monte Carlo methods, which gives each atom the oportunity to find its energetically optimal location inside the crystal. Within a final step, not only the total energy but also local strain of individual bonds are analyzed to gain insight into the electronic behavior at interfaces. This alogrithm was ultimately used to derive detailed results for the technologically relevant material systems GaSb/InAs, AlSb/InAs and InGaAs/InAlAs, whereat the power of the Vienna Scientific Cluster was utilized.