Galliumarsenidin katkaisupintojen elektronirakenne ja tunnelointi-mikroskooppikuvien mallinnus

Abstract

Optoelektroniikan komponentteja rakennettaessa tarvitaan huippulaatua olevia yhdistepuolijohderakenteita. Tästä syystä puolijohdekiteiden sisäisen rakenteen ja erityisesti rajapintojen tunteminen on tärkeää. X-STM on menetelmä, jonka avulla kiteen sisäistä rakennetta ja laatua sekä puolijohteen rajapintoja voidaan tutkia. Siinä puolijohde katkaistaan ja leikkauspintaa tutkitaan tunnelointimikroskoopilla. Pyyhkäisytunnelointimikroskoopin STM toiminta perustuu tunnelointi-ilmiöön hyvin terävän STM:n kärjen ja pinnan välillä. Tunnelointivirtaa mittaamalla ja kärkeä samalla liikuttelemalla voidaan saada atomitarkkuuteen yltäviä pinnan kuvia. Tunnelointimikroskoopin kuvat eivät anna suoraan kuvaa pinnan geometriasta vaan sen elektronirakenteesta. Kuvia tulkitaan teoreettisten ja laskennallisten mallien avulla. Ongelmana on kuitenkin tunnelointi-ilmiön monimutkaisuus, minkä takia kaikki sitä kuvaavat teoriat ovat approksimatiivisia ja laskennallisia malleja rajoittaa myös saatavilla olevan koneellisen laskentatehon määrä. Tämän työn tarkoituksena oli kehittää laskennallinen menetelmä puolijohdekiteen katkaisupinnan mallintamiseen ja tunnelointimikroskooppikuvien simulointiin. Simulointimenetelmässä määritettiin katkaisupinnan geometria ja elektronirakenne tiheysfunktionaaliteorian avulla ja tunnelointimikroskooppikuvat simuloitiin Tersoffin ja Hamannin mallin mukaisesti. Menetelmää sovellettiin paljon tutkitun puolijohteen galliumarsenidin katkaisupintaan, jolloin tuloksia pystyttiin vertaamaan muilla menetelmillä saavutettuihin tuloksiin.