English

In late 1993 S. Nakamura of Nichia Chemicals introduced the first high efficient GaN-based blue light-emitting diode. This year is widely regarded as the turning point in the field of III-Nitride semiconductors. Since then group III-Nitrides are a hot topic in the semiconductors research. While there has been a tremendous progress in materials quality and and device fabrication our understanding concerning fundamental properties and growth phenomena is often still limited. One of the controversial issues is the effect dislocations have on the electronic properties of the GaN epilayers. Dislocations are characterized by two different length scales: The core structure of the defect is rather localized, while the strain field introduced by the defect is significant even far away from the core. Ab-initio-based methods are a reliable tool for atomic scale calculations. However, they are characterized by a rather limited (limited by the available computational power) ability to describe systems consisting of large numbers of atoms. Thus, it is essential to develop methods which allow to describe physical systems on all relevant length scales. We have therefore developed ab-initio-based multiscale approaches which combine first-principles calculations with mesoscopic concepts. A first approach combines first-principles, empirical potentials and elasticity theory and links the microscopic with the macroscopically relevant length scales. The accuracy of this approach is in principle limited only by the accuracy of the ab-initio calculations. A second approach, which has been applied to study growth is ab-initio atomistic thermodynamics: First-principles calculations are combined with the thermodynamic concept of chemical potentials and enable to derive the thermodynamic stability of the various systems as function of the growth conditions. In the first part of the thesis, the focus will be on the growth of GaN surfaces. A variety of step/vicinal surface configurations on the technologically most relevant GaN (0001) orientation are considered and their thermodynamic stability under different growth conditions is examined. An important conclusion from these studies is that steps may spontaneously form under N-rich conditions, while under more metal-rich conditions they become thermodynamically unfavorable against a Ga rich laterally contracted bilayer structure. Next, we spotlight the Ga-rich growth conditions limit and we study the formation of small Ga islands on the laterally contracted bilayer structure. Our calculations reveal that the islands can be assumed as precursors of Ga droplet formation. Based on these results we explain recent controversially discussed growth studies within a unified model. Our calculations further reveal that structures exceeding 2 MLs of Ga are feasible and thermodynamically stable under extreme Ga rich conditions even on intrinsically non-polar surfaces such as the GaN �1100_ as important for growing field-free structures. Next, we move from surfaces to interfaces and we study monatomic-scale ordering in AlGaN alloys. In agreement with recent experiments we find that ordering results in bandgap reduction. The origin of the bandgap reduction is shown to be a carrier localization in mono-atomic GaN quantum wells embedded in AlN barriers. Finally, from the two dimensional features (surface/interfaces) we move to one dimensional extended defects in GaN. i.e., dislocations. Based on our multiscale approach we investigate the properties of a variety of different core configurations. We find that the giant local strain-field around the dislocation core, in combination with the small lattice constant of GaN, causes deep defect states and thus electrically active edge dislocations even when all core atoms are fully coordinated. In summary, in this thesis we developed a multiscale approach and applied it to address a number of hitherto unsolved problems and to get a microscopic understanding of extended defects in and on group III-Nitrides. This thesis has been performed during the period July 2000 - December 2004 in the Independent-Junior-Research Group of the Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft.

Deutsch

Ende 1993 entwickelte S. Nakamura bei Nichia Chemicals die ersten hocheffizienten blauleuchtende Dioden auf GaN-Basis. Dieses Jahr läßt sich als Wendepunkt im Bereich der III-Nitriden Halbleiter bezeichnen, da fortan die Gruppe-III-Nitriden zu einem Schwerpunkt in der Halbleiterforschung wurden. Während enorme Fortschritte in der Qualität der Materialien und bei der Herstellung der Bauelemente erreicht wurden, ist das Verständnis der zugrunde liegenden Eigenschaften und Wachstumsprozesse häufig noch begrenzt. Auf dem Gebiet der III-Nitride wird der Effekt, den Versetzungen auf die elektronischen Eigenschaften von GaNEpilayern haben, kontrovers diskutiert. Versetzungen sind durch zwei unterschiedliche Längenskalen charakterisiert: Der Kernbereich der Versetzungen ist stark lokalisiert, während das durch die Versetzung verursachte Spannungsfeld (strain field) auch noch weit entfernt vom Versetzungskern ist. Ab-initio basierte Methoden haben sich zu äußerst zuverlässige Verfahren für Berechnungen im Bereich atomarer Größenordnungen entwickelt. Auf der anderen Seite sind die Möglichkeiten, diese Methoden auf große, auf vielen Atomen bestehende Systeme anzuwenden, stark begrenzt (durch die verfügbare Rechenkapazität). Es ist daher notwendig, eine Methode zu entwickeln, die die Beschreibung physikalischer Systeme auf allen relevanten Längenskalen erlaubt. Wir entwickelten daher ab-initio basierte Multiskalen-Ansätze, die auf ersten Prinzipien beruhende Berechnungen mit mesoskopischen Konzepten kombinieren. Ein möglicher Ansatz, der hier diskutiert wird, verwendet erste Prinzipien, Elastizitätstheorie und empirische Potentiale, wobei die mikroskopischen mit den makroskopisch relevanten Skalen verbunden werden. Die Genauigkeit dieses Zugangs wird im Prinzip nur durch die Genauigkeit der ab-initio Berechnungen begrenzt. Ein weiterer Ansatz wurde angewandt, um Wachstumsprozesse zu untersuchen (ab-initio atomare Thermodynamik). Hier werden auf ersten Prinzipien basierte Berechnungen mit dem thermodynamischen Konzept der chemischen Potentiale in Verbindung gebracht. Dies erlaubt es, die thermodynamische Stabilität verschiedener Systeme als Funktion der Wachstumsbedingungen zu berechnen. Der erste Teil der Dissertation ist der Wachstum von GaN Oberflächen gewidmet. Es wird eine Vielzahl von Stufen-/Nachbarschaftskonfigurationen auf GaN-Oberflächen berücksichtigt. Dies geschieht für die (0001)-Orientierung, die technologisch am interessantesten ist. Dabei wird die thermodynamische Stabilität unter verschiedenen Wachstumsbedingungen untersucht. Ein wichtiges Ergebnis dieser Untersuchungen ist die Erkenntnis, dass N-reiche Bedingungen eine spontane Ausbildung von Stufen ermöglichen. Weiterhin zeigte sich, dass diese Instabilität unter metallreichen Bedingungen unterdrückt werden kann: Unter diesen Bedingungen ist eine lateral kontrahierte Bilayer strukturthermodynamisch am günstigsten. Danach wenden wir uns dem Wachstum unter extrem Ga-reichen Bedingungen zu und untersuchen die Bildung und Stabilität kleiner Ga-Inseln auf den lateral kontrahierten Bilayer. Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Inseln Nukleationskeime für die Bildung von Ga-Tropfen bilden. Anhand diese Resultate gelang es, verschiedene kontrovers diskutierten Wachstumsuntersuchungen im Rahmen eines einheitlichen Modells zu erklären. Unsere Berechnungen zeigen ferner, dass Strukturen mit mehr als 2 Monolagen sowohl machbar als auch unter extrem Ga-reichen Bedingungen thermodynamisch stabil sind sogar für intrinsisch nicht-polare Oberflächen wie beispielsweise GaN 1100_. Das ist beispielsweise für das Wachstum feldfreier Strukturen deutsam. Nach dem Studium von Oberflächen richtet sich der Schwerpunkt auf Grenzflächen, wobei eine aus sich abwechselnden Monolagen aufgebaute Struktur (monoatomic-scale ordering) einer AlGaN-Legierung untersucht wird. In Übereinstimmung mit jüngsten Experimenten gelang es dabei zu zeigen, dass eine solche Struktur zu einer Reduktion der Bandlücke führt. Wir fanden, dass für diese Reduktion der Bandlücke eine Lokalisierung der Ladungsträger in einlagigen (monoatomic) GaN-Quantengräben, die zwischen AlN-Barriern eigebettet sind, verantwortlich ist. Im letzten Teil der Arbeit richtet sich der Blick auf ausgedehnte (extended) ein-dimensionale Defekte in GaN (Versetzungen). Mit unserem Multiskalen-Ansatz untersuchen wir eine Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen des Versetzungskerns. Wir zeigen, dass das äußerst starke lokale Spannungsfeld um den Kern der Versetzung in Verbindung mit der kleinen Gitterkonstanten von GaN zu energetisch tiefliegenden Defektzuständen führt und daher elektrisch aktive Stufenversetzungen verursacht, auch wenn alle Atome im Kernbereich vollständig koordiniert sind. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Multiskalen-Ansätze ermöglichen es, eine Vielzahl bislang ungelöster Probleme zu lösen und darüber hinaus ein mikroskopisches Verständnis ausgedehnter Defekte in und auf Gruppe-IIINitriden zu erhalten. Die Arbeit wurde im Zeitraum Juli 2000 - Dezember 2004 in der Unabhängigen Nachwuchsgruppe des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft angefertigt.