Defect complexes in GaN - Preparation, characterisation and ab-initio modelling

• Antragsteller: Professor Dr. Wolf Gero Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 50110832

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im vorliegenden Projekt haben wir uns mit der technologisch höchst relevanten Frage einer kontrollierten Dotierung von GaN befasst. Bzgl. der n-leitenden Dotierung von GaN durch Si konnten wir zu einem besseren physikalischen Verständnis von hoch-dotiertem Material beitragen: Durch eine Analyse der Linienbreiten sowie eine Modellierung im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie konnten wir diesen, unabahängig vom Polytyp auftretenden Effekt durch die Entstehung und die Überlagerung eines Si-Defektbands mit den untersten Leitungsbaöndern erklären. Bei der ab initio Beschreibung von weiteren Defektkomplexen in GaN und vergleichbaren Verbindungshalbleitern mit großer Bandlücke zeigte sich überraschend oft die Notendigkeit einer genauen Behandlung von Vielteilcheneffekten über die sonst in der Defektphysik übliche lokale-Dichte-Näherung (LDA) hinaus: So zeigte sich z.B., daß die LDA/GGA keine adäquate Beschreibung von Wasserstoff-Mangan-Komplexen in GaN erlaubt, die für den experimentell beobachteten, reversibel kontrollierbaren Ferromagnetismus verantwortlich sein können. Sowohl deren relative energetische Stabilität als auch die vorhergesagten EPR Parameter können erst durch eine selbstkonsistente Anwendung des L(S)DA+U Verfahren in vorhersagender Genauigkeit beschrieben werden. Ein ähnlicher, vielleicht noch überraschenderer Befund ergab sich auch bei der Anwendung von verbesserten DFT-Funktionalen zur Beschreibung von dotierten II-VI Halbleitern. Hier zeigt sich erneut ein drastischer Einfluß der Behandlung der Elektronenaustauschwechselwirkung (lokal oder nichtlokal mittels Hybridfunktionalen) auf die Defektenergien. Im Falle kubischer GaN/AlN Heterostrukturen konnten wir zeigen, daß erst eine Kombination von Quasipartikel-Ansätzen und Hybridfunktionalen in der Lage ist, die experimentell beobachteten Band-Offets in gewünschter Genauigkeit zu reproduzieren. Dagegen hat sich die LDA/GGA für die Modellierung des GaN-Wachstums auf 3C-SiC Substraten, sowie zur Entwicklung eines mikroskopischen Szenarios für das Ausfällen von SiC durch C-Ionenimplantation von Si als ausreichend erwiesen. Hinsichtlich einer p-leitenden Dotierung von kubischem GaN konnte schließlich gezeigt werden, daß sich CBr4 hervorragend als C-Dotierquelle eignet. Die Beobachtung von mehreren neuen, breiten Banden im Luminiszensspektrum weist dabei auf die Entstehung von kompensierenden Defektkomplexen. Eine Hauptaufgabe zukünftiger Forschung betrifft daher die Aufklärung ihrer mikroskopischer Struktur, um durch geeignete Wahl der Wachstumsbedingungen die Effizienz der p-leitenden C-Dotierung zu erhöhen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Atomic structure and energetics of the c-GaN(001) surface, Phys. Rev. B 78, 113302 (2008)
  E. Rauls, S. Dijkstra, and W.G. Schmidt
  
• Carbon doping on non-polar cubic GaN by CBr4 , J. Cryst. Growth 311(2009), 2039
  D.J. As, E. Tschumak, H. Pöttgen, O. Kasdorf, J.W. Gerlach, H. Karl, K. Lischka
  
• Insulating substrates for cubic GaN-based HFETs, Microelectronics Journal 40 (2009), 367
  E. Tschumak, M.P.F. de Godoy, D.J. As, K. Lischka
  
• Manganese-hydrogen complexes in Ga1−x Mnx N, Phys. Rev. B 80 (2009), 205205
  C. Bihler, U. Gerstmann, M. Hoeb, T. Graf, M. Gjukic, W. G. Schmidt, M. Stutzmann, M. S. Brandt
  
• Rare-earth defect pairs in GaN: LDA+U calculations, Phys. Rev. B 80 (2009), 104120
  S. Sanna, W. G. Schmidt, U. Gerstmann, Th. Frauenheim
  
• Vacancy clusters created via room temperature irradiation in 6H-SiC, Physica B 404 (2009), 4742
  A. Scholle, S. Greulich-Weber, E. Rauls, W. G. Schmidt, U. Gerstmann
  
• Combined ab initio and classical potential simulation study on silicon carbide precipitation in silicon, Phys. Rev. B 84 (2010), 064126
  F. Zirkelbach, B. Stritzker, K. Nordlund, J. K. N. Lindner, W. G. Schmidt, E. Rauls
  
• Defects in carbon implanted silicon calculated by classical potentials and rst-principles methods, Phys. Rev. B 82 (2010), 094110
  F. Zirkelbach, B. Stritzker, K. Nordlund, J. K. N. Lindner, W. G. Schmidt, E. Rauls
  
• Doping of MBE grown cubic GaN on 3C-SiC (001) by CBr4 , AIP Conf. Proc. 1292 (2010), 181
  A. Zado, E. Tschumak, J. Gerlach, K. Lischka, and D.J. As
  
• Fine structure of triplet centers in room temperature irradiated 6H-SiC, Mater. Sci. Forum 645-648 (2010), 403
  A. Scholle, S. Greulich-Weber, E. Rauls, W. G. Schmidt, U. Gerstmann
  
• Magnetic characterization of conductance electrons in GaN, phys. stat. sol. (b) 247 (2010), 1728
  A. Scholle, S. Greulich-Weber, D. J. As, C. Mietze, N. T. Son, C. Hemmingsson, B. Monemar, E. Janzen, U. Gerstmann, S. Sanna, E. Rauls, W. G. Schmidt
  
• Understanding the cubic AlN growth plane from first principles, J. Crystal Growth, 312, 2892 (2010)
  E. Rauls, J. Wiebe and W.G. Schmidt
  
• Band offsets in cubic GaN/AlN superlattices, Phys. Rev. B 83, 195301 (2011)
  C. Mietze, M. Landmann, E. Rauls, H. Machhadani, S. Sakr, M. Tchernycheva, F. H. Julien, W. G. Schmidt, K. Lischka, and D.J. As
  
• Carbon as an acceptor in cubic GaN/3C-SiC, J. Cryst. Growth 323 (2011), 88
  A. Zado, E. Tschumak, J. Gerlach, K. Lischka, and D.J. As
  
• Group-VII point defects in ZnSe, Phys. Rev. B 84 (2011), 115201
  L. S. dos Santos, W. G. Schmidt, E. Rauls
  
• Microscopic structure and energy transfer of vacancy-related defect pairs with Erbium in wide-gap semiconductors, Opt. Mater. 33 (2011), 1041
  A. Konopka, S. Greulich-Weber, V. Dierolf, H. Jiang, U. Gerstmann, E. Rauls, S. Sanna, W. G. Schmidt