Διεπιφάνειες και ατέλειες προηγμένων ΙΙΙ-Ν ετεροδομών-νανοδομών χωρίς πεδία πόλωσης

Abstract

The III-Nitride semiconductor compounds have been under intense investigation for various optoelectronic applications due to their wide band gap range that can cover the whole optical spectrum. The usual growth orientation for the III-Nitrides is the polar one but along this orientation strong polarization effects are present. To overcome this problem, nonpolar and semipolar orientations are investigated. First, the interfacial and epilayer properties of nonpolar GaN were studied. The structural anisotropic properties of nonpolar a-plane GaN grown on r-plane sapphire are studied and a thorough analysis is presented using multiple experimental techniques. Also, the interfacial and epilayer properties of nonpolar InN are presented. The effect of substrate nitridation, the role of the GaN nucleation layer and the GaN/InN interface are studied. Regarding the semipolar III-Nitrides the AlN is investigated. The role of the sapphire nitridation on the introduction of parasitic misoriented nanocrystals is studied since they affect the crystal structure and the defect densities of the epilayers. Also, the surface characteristics of semipolar InGaN epilayers grown on semipolar GaN/AlN-on-m-plane sapphire are studied. V-shaped formations that exist on the epilayer surface have been observed and a detailed analysis for determining their morphology is presented. The structural and interfacial properties of semipolar InN epilayers are also studied. The growth of semipolar InN is still not well understood and further understanding regarding the deposition of InN is a necessity. The main consequence of the reduced symmetry of the nonpolar and semipolar III-Nitride growth orientations is that more than one epilayer orientation is possible to be grown on the same substrate. The interesting feature in both cases of growth is that the different epilayer orientations are interrelated to each other by a certain rotation about an axis. A detailed experimental and theoretical analysis regarding the influence of this relationship in structural characteristics of III-Nitrides will be presented. Additionally, the study of quantum dot nanostructures is presented. Two systems have been investigated. The first one is the semipolar InGaN quantum dots in GaN matrix and the second one is the semipolar GaN quantum dots in AlN matrix. Regarding the first system the structural characteristics of the quantum dots that were grown under two growth temperatures were compared with corresponding polar nanostructures grown under the same conditions. Regarding the GaN/AlN quantum dots nanostructures, the morphological characteristics have been studied and the structural analysis was performed by TEM and STEM combination. Last, the interfacial and crystallographic properties of self-assembled inclined GaN nanowire nanostructures grown on r-plane sapphire are presented. The crucial issue of the nanowire emanation is discussed and transmission electron microscopy techniques were employed in order to define the possible nanowire nucleation mechanisms.

Η ομάδα των ΙΙΙ-Ν σύνθετων ημιαγωγών μελετάται έντονα για την χρήση τους σε διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές λόγω του ευρύ ενεργειακού χάσματος που καλύπτει όλο το οπτικό φάσμα. Η συνήθης διεύθυνση ανάπτυξης είναι η πολική, αλλά κατά αυτήν την διεύθυνση παρατηρείται έντονη επίδραση πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο μελετώνται διαφορετικές διευθύνσεις ανάπτυξης όπως οι μη πολικές και οι ημιπολικές. Αρχικά, μελετήθηκαν οι ιδιότητες μη πολικού GaN. Οι δομικές ανισοτροπικές ιδιότητες αυτών των υμενίων μελετήθηκαν και μία εκτενής ανάλυση με συνδυασμό πολλών πειραματικών τεχνικών παρουσιάζεται σε αυτήν την διατριβή. Ακόμα, μελετήθηκαν και οι διεπιφανειακές ιδιότητες του μη πολικού InN. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν η επίδραση της νιτρίδωσης, η επίδραση του στρώματος πυρηνοποίησης GaN και ο ρόλος της διεπιφάνειας GaN/InN. Σχετικά με τις ημιπολικές δομές, μελετήθηκε το ημιπολικό AlN και κυρίως η επίδραση της νιτρίδωσης του υποστρώματος στην εισαγωγή παρασιτικών νανοκρυστάλλων οι οποίοι επηρεάζουν τόσο την κρυσταλλική δομή όσο και την πυκνότητα των δομικών ατελειών των δειγμάτων. Ακόμα μελετήθηκαν τα επιφανειακά χαρακτηριστικά ημιπολικού InGaN ανεπτυγμένο πάνω σε υπόστρωμα ημιπολικού GaN/AlN. Παρατηρήθηκαν επιφανειακοί σχηματισμοί τύπου v και παρουσιάζεται μία λεπτομερής ανάλυση για τον καθορισμό της μορφολογίας τους. Επίσης μελετήθηκαν οι δομικές και διεπιφανειακές ιδιότητες ημιπολικού InN. Η ημιπολική ανάπτυξη του InN δεν είναι πλήρως κατανοητή και είναι αναγκαία περεταίρω κατανόηση του μηχανισμού εναπόθεσης του InN στα διάφορα υποστρώματα. Το κύριο αποτέλεσμα της μειωμένης συμμετρίας των μη πολικών και ημιπολικών νιτριδίων είναι ότι πάνω από ένας προσανατολισμοί μπορεί να υπάρχουν σε ανάπτυξη πάνω στο ίδιο υπόστρωμα. Το ενδιαφέρων σημείο είναι ότι σε κάθε περίπτωση, οι προσανατολισμοί μεταξύ τους έχουν μία συγκεκριμένη στροφή γύρω από κάποιον κοινό άξονα. Στη παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μία λεπτομερής πειραματική και θεωρητική ανάλυση της επίδρασης αυτής της στροφής στα δομικά χαρακτηριστικά των νιτριδίων. Ακόμα μελετήθηκαν και νανοδομές κβαντικών τελειών. Συγκεκριμένα δύο συστήματα μελετήθηκαν. Το πρώτο είναι το σύστημα ημιπολικών κβαντικών τελειών InGaN σε μήτρα GaN και το δεύτερο το σύστημα ημιπολικών κβαντικών τελειών GaN σε μήτρα AlN. Σχετικά με το πρώτο σύστημα μελετήθηκαν τα δομικά χαρακτηριστικά των κβαντικών τελειών ανεπτυγμένα σε δύο εύρη θερμοκρασιών και συγκρίθηκαν με αντίστοιχα πολικού προσανατολισμού. Για το δεύτερο σύστημα μελετήθηκαν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των κβαντικών τελειών ενώ ο δομικός χαρακτηρισμός έγινε με μεθόδους ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης. Τέλος μελετήθηκε η κρυσταλλογραφία και ο προσανατολισμός ημιπολικών νανοσυρμάτων GaN ανεπτυγμένα σε σάπφειρο επιπέδου-r. Το κύριο ζήτημα της πυρηνοποίησης αυτών των νανοσυρμάτων μελετήθηκε και η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης χρησιμοποιήθηκε για την κατανόηση των πιθανών μηχανισμών πυρηνοποίησης και ανάπτυξης των νανοσυρμάτων.