Galliumarsenidipintojen pistevirheiden tunnelointimikroskooppikuvien mallintaminen

Abstract

Laadukkaiden yhdistepuolijohdekomponenttien rakentaminen vaatii tarkkaa tietoa niiden rakenteista, rajapinnoista ja elektronirakenteesta. Kidevirheet, joita syntyy väistämättä kasvatetuissa kiteissä, saattavat vaikuttaa merkitsevästi komponenttien ominaisuuksiin ja toimintaan.

Tunnelointimikroskopia on kokeellinen menetelmä, jolla pintojen tarkka tutkimus on mahdollista. X-STM (cross-sectional scanning tunneling microscopy) menetelmässä puolijohdekide katkaistaan ja katkaisupintaa tutkitaan tunnelointimikroskoopilla. Vaikka mikroskooppi antaa tarkkaa informaatiota atomitason rakenteista, niin kuvien tulkitseminen ei ole aina yksinkertaista vaan vaatii tueksi laskennallista mallinnusta.

Tässä työssä mallinnetaan pintojen geometriaa ja elektronirakennetta laskennallisesti sekä simuloidaan pinnan tunnelointimikroskooppikuvia. Simulointiin käytetään menetelmää, joka perustuu tiheysfunktionaaliteoriaan, ja STM-kuvat mallinnetaan Tersoffin ja Hamannin mallilla. Tutkittaviksi systeemeiksi on valittu yleisimmät pistevirheet galliumarsenidin katkaisupinnalla.

Käytetty menetelmä toimii hyvin pinnan ja sen pistevirheiden geometrisessa mallintamisessa ja sen antamat tulokset ovat linjassa aikaisemmin julkaistun tutkimuksen kanssa. Virheettömän pinnan simuloidut STM-kuvat vastaavat hyvin kokeellisia tuloksia ja muiden ryhmien simulointeja. Pistevirheiden kohdalla antisite-simuloinnit vastaavat hyvin muuta tutkimusta, mutta vakansseille tyypillistä puuttuvaa atomia ympäröivien atomien kirkastumista ei saatu näkyviin. Työssä pohditaan mahdollisia syitä tälle.

Työssä käytetty laskentaohjelmisto on käyttökelpoinen, mutta se on osoittautunut laskenta-ajan suhteen raskaaksi. Sitä voidaan soveltaa monimutkaisempiin tapauksiin, mutta sen tarkempi optimoiminen laskennan keventämiseksi on tarpeen. /Kir09