29.04.2010

InN mit kontrollierter Leitfähigkeit

Die Ursachen unerwünschter Elektronenleitfähigkeit auf Indiumnitrid-Oberflächen wurden durch theoretische Untersuchungen ermittelt.

InN mit kontrollierter Leitfähigkeit

 

Die Ursachen unerwünschter Elektronenleitfähigkeit auf Indiumnitrid-Oberflächen wurden durch theoretische Untersuchungen ermittelt.

 

Indiumnitrid hat sich zu einem vielversprechenden Material für eine ganze Bandbreite technischer Anwendungen wie langwellige Lichtemitter, Photovoltaik, schnelle Transistoren oder Terahertz-Bauelemente entwickelt. Der Fortschritt wird allerdings immer noch gebremst durch die starke Tendenz des Materials, eine unbeabsichtigte Elektronenleitfähigkeit vom n-Typ an den Tag zu legen, welche sich bisher nicht steuern lässt. Dies erschwert die Herstellung bipolarer Bauelemente, wie z. B. einer Diode mit n- und p-dotierten Bereichen. C. G. Van de Walle und Kollegen von der University of California, Santa Barbara, USA, haben den Ursprung dieser Leitfähigkeit nun untersucht.

 

Abb.: (2 x 2) In-Adatom-Rekonstruktion auf der InN(0001) c-Oberfläche (violett: Indiumatome, blau: Stickstoffatome). Die orangefarbene Iso-Oberfläche demonstriert die Wellenfunktion des Oberflächenzustandes aufgrund von In-In-Bindungen. Dieser Zustand liegt im Bänderschema bei einer Energie D oberhalb des Leitungsband-Minimums (conduction band minimum, CBM) und pinnt das Fermi-Niveau EF. Dies führt zur elektronen-angereicherten Schicht. (Bild: Chris Van de Walle)

Die Forscher betrachten dabei die Rolle von Defekten, Verunreinigungen und Oberflächenzuständen im kristallinen Aufbau von InN mit theoretischen Verfahren. Wie die Wissenschaftler ausführen, sprechen Berechnungen mit first principles-Methoden, die auf der Dichtefunktionaltheorie basieren, gegen native Punktdefekte (Eigendefekte) als Ursache der Volumenleitfähigkeit von InN. Stattdessen sollte sich das Augenmerk auf den unerwünschten Einbau von Fremdatomen konzentrieren. Besonders Wasserstoff ist einer der Hauptkandidaten, da er flache Donatoren in InN erzeugt. Dabei nimmt ein substitutionelles Wasserstoffatom den Platz des Stickstoffs ein. In einer ungewöhnlichen Konfiguration bindet es gleichmäßig an seine vier nächsten Nachbarn. Anders als man erwarten würde, verhält sich ein solches Zentrum aufgrund der ungewöhnlichen Mehrzentrenbindung als doppelter (zweifach geladener) Donator.

 

Um nun andererseits eine p-Dotierung im Material zu erzeugen, wäre Magnesium ein geeigneter Akzeptor für das Material. Die Ionisierungsenergie liegt bei 0,2 eV, und die Bildungsenergie und damit Löslichkeit von Mg sind niedriger als im verwandten GaN. Die beim Einbau der Akzeptoren in InN auftretenden thermodynamischen Probleme liegen also nicht in unzureichenden Eigenschaften des Akzeptors, sondern sind auf native Defekte oder Verunreinigungen zurückzuführen, die sich wie Donatoren verhalten und damit eine entgegen gerichtete Wirkung ausüben.

 

Zusätzlich zur Volumenleitfähigkeit wird fast immer eine in diesem Kontext nicht erwünschte Anreicherung von Elektronen auf InN-Oberflächen beobachtet. Auch wenn Fremdatome zu dieser Leitfähigkeit beitragen können, schlagen die Forscher vor, dass elektronen-angereicherte Schichten eine intrinsische Eigenschaft des Materials sind. Grund sind besetzte elektronische Zustände auf polaren Oberflächen. Solche in jüngster Zeit stark untersuchte Flächen besitzen eine spontane elektrische Polarisation infolge der Orientierung des Kristallgitters und der Atomanordnung. Die Oberflächenzustände pinnen das Fermi-Niveau und führen zur Anreicherung der Ladungsträger (siehe Abb.). Interessanterweise fand das Team keinerlei Elektronenakkumulation auf nichtpolaren InN-Oberflächen. Es muss nun geklärt werden, ob sich solche Strukturen ausreichend stabilisieren lassen, um für Anwendungen nutzbar zu sein.

SH/MH/pss

 

Weitere Infos:

  • C. G. Van de Walle et al.: Controlling the conductivity of InN, Phys. Status Solidi A 207, 1024 (2010)
    dx.doi.org/10.1002/pssa.200983122
  • Special Issue ‚InN Material and Alloys’, Phys. Status Solidi A 207 (5) (Mai 2010)
  • Computational Materials-Gruppe von Chris Van de Walle, UCSB:
    www.mrl.ucsb.edu/~vandewalle/

 

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