Molecular Dynamics and First Principle Investigations of Dislocations and Quantum Wells in III-Nitride Semiconductors

• Auteur / Autrice : Huaping Lei
• Direction : Jun Chen, Xunya Jiang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Caen en cotutelle avec Shanghai, Institut de Microsystème et Technologie d'information

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Dynamique moléculaire

Puits quantiques

Dislocations dans les semiconducteurs

Nitrures

Semiconducteurs à large bande interdite

Résumé

En utilisant un empirique potentiel modifié du type Stillinger-Weber (SW) et une méthode du premier principe à base de DFT (SIESTA code), les propriétés des dislocations et leur possible interaction avec les puits quantiques InGaN ont été étudiées. Avec SW, différents types de dislocations, coin-a, vis-c, vis-a et coin-c ont été traités systématiquement dans InN et AlN et comparer avec GaN. Un nouveau cœur de dislocation vis-c a été mis en évidence pour InN, AlN et également GaN avec une mauvaise liaison située dans le plan. Avec SIESTA, les énergies des dislocations coin-a ont été calculées au moyen d’une supercellule de quadrupôle pour AlN, GaN et InN. La condition périodique crée des images dont les effets sont corrigés par deux méthodes : la sommation quadrupolaire et les dislocations « fantômes ». Le résultat montre que les coeurs à 8 atomes sont plus stables que ceux à 5/7 et 4 atomes et valide le potentiel SW pour les grandes distorsions. Avec SW, la distribution des atomes d'indium dans InGaN a été systématiquement étudiée ainsi que l'effet des contraintes sur la stabilité du système et le rôle de la dislocation vis-c dans la séparation de phases. Les clusters d’indium ne sont pas favorables énergétiquement mais peuvent être formés dans le coeur de la dislocation vis-c. Les distorsions réduisent la stabilité énergétique des héterostructures InGaN/GaN et compresse les liaisons N-Ga et N-In. Un phénomène anormal de la liaison N-Ga est observé dans le puits quantique InGaN/GaN : sa longueur est réduite en fonction de la concentration d’indium lorsque la deformation atteint une valeur critique. Cet effet peut être expliqué en considérant la balance des forces.

The properties of the threading dislocations and their possible interactions with the InGaN quantum wells are theoretically investigated by using a modified empirical Stillinger-Weber potential (SW) and the first principle calculations (SIESTA package). All types of pure threading dislocations: a-edge, c-screw, a-screw and c-edge in InN and AlN have been systematically studied by using SW in comparison with GaN. The new core structures of c-screw dislocations in AlN and InN are found as same in GaN with the wrong bonds located in a plane. With SIESTA, the a-edge dislocations were treated by using the quadrupolar supercells in AlN, GaN and InN. The image effect due to the periodic boundary condition has been considered by the quadrupole summation and ghost dislocation methods. The corrected core energies have indicated that 8-atom core is more energetically feasible than 4- or 5/7-atom cores. The transferability of the Stillinger-Weber potential to the large distortion system has been validated. The strain effect reduces the energetic stability of systems, and the role of c-screw dislocation on the phase separation is studied. The formation of In-rich clusters is not energetically feasible, but would be possible in the core of c-screw dislocation. The strain in InGaN/GaN heterostructures further reduces the energetic stability. Suffering from the strain, N-Ga and N-In bonds are compressed, and an abnormal behavior of N-Ga bonds takes place: N-Ga bond length is reduced as a function of indium concentration when the strain is larger than the critical value. A force balance model has been proposed to explain the abnormality of N-Ga bonds in the strained InGaN quantum wells.