Point defects in nanocrystals and semiconductors studied with positron annihilation spectroscopy
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2016-11-04
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 40
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 223/2016
Abstract
The optical properties of bulk silicon are notoriously poor due to its indirect band gap. Byreducing the crystal size to the nanometer scale, the band gap becomes direct. This leads to aconsiderable improvement in the optical properties of the crystal. Silicon nanocrystalsembedded in silica are studied with positron annihilation and photoluminescencespectroscopies. The results indicate that the interface between the nanocrystal and thesurrounding silica lattice acts as a strong trap for positrons. The lattice defects located at theinterface were noted to passivate after annealing performed in the hydrogen gas. In this work, strongly phosphorous doped silicon samples are studied. A lattice strain isinduced in highly phosphorous doped silicon due to the formation of defect structures.According to earlier reports the cause for the strain are Si3P4 clusters. Calculations based ondensity functional theory indicates that the formation enthalpy of these clusters is higher thanthe thermal energy available during the growth of the sample. Unlike Si3P4, the formation enthalpy of V-Pn complexes is negative, which would indicate that these structures arespontaneously formed in the growth process. The theoretical calculations are consistent withthe Doppler broadening results, which state that the dominating lattice defect is amonovacancy decorated with several impurity atoms. Thanks to its lattice constant, GaSb is a suitable substrate material for various group III-Vsemiconductors whose band gaps cover a wide energy range. Undoped GaSb is p-typeirrespective of its growth method. In this work, undoped and tellurium doped GaSb are studied.Doppler broadening and lifetime spectroscopy measurements show that the dominatingvacancy defect is gallium vacancy. However, the primary cause, for the undoped GaSbbeing p-type, is the ion-type defect in which a Sb sublattice site is occupied by Ga atom. Highly arsenic, phosphorous and antimony doped germanium samples are studied with thehelp of Doppler broadening and lifetime measurements. The results indicate, that thedominating defect type in all samples is a complex consisting of a monovacancy and threeimpurity atoms. In the case of arsenic and phosphorous doped germanium samples, thepositron trapping is in saturation or in a saturation-like state, whereas in antimony dopedgermanium sample only a fraction of the positrons are trapped to complexes prior toannihilation.Bulkkipiin optiset ominaisuudet ovat tunnetusti huonoja johtuen sen epäsuorasta energia-aukosta. Pienentämällä kiteen kokoa nanometriluokkaan, jolloin sen energia-aukosta tulee suora, nähdään huomattava parannus optisissa ominaisuuksissa. Piioksidiin upotettuja piinanokiteitä on tutkittu positroniannihilaatio- ja fotoluminesenssispektroskopioiden avulla. Tuloksista voidaan todeta, että rajapinta piinanokiteen ja ympäröivän piioksidihilan välissä toimii voimakkaana loukkuna positroneille. Rajapinnassa sijaitsevien hilavirheiden todettiin passivoituvan typpivety-kaasussa tehdyn toivutuksen myötä. Voimakkaasti fosforilla seostettuun piihilaan aiheutuu venymä, joka johtuu piihin muodostuvista hilavirherakenteista. Aikaisempien tutkimusten perusteella venymän syynä on pidetty Si3P4-ryppäitä. Tiheysfunktionaaliteoriaan pohjautuvat elektronitiheyslaskut kuitenkin osoittavat, että tällaisten ryppäiden muodostumisentalpia on suurempi kuin näytteen kasvatuksen aikana käytettävissä oleva terminen energia. Sen sijaan, V-Pn-tyyppisillä komplekseilla muodostumisentalpia on negatiivinen, joka viittaisi siihen, että tällaisia rakenteita syntyy spontaanisti kasvatuksen aikana. Teoreettiset laskut ovat sopusoinnussa Doppler-levenemätulosten kanssa joiden mukaan hallitsevin hilavirhe on monovakanssi, jonka ympärillä on useampi epäpuhtausatomi. GaSb on hilavakionsa ansiosta sopiva alustamateriaali useammalle ryhmän III-V puolijohteelle, joiden energia-aukot kattavat laajan energiavälin. Seostamaton GaSb on p-tyyppistä riippumatta sen kasvatustavasta. Tässä työssä on tutkittu seostamatonta ja telluurilla seostettua GaSb näytettä. Doppler-levenemä- ja elinaikamittausten perusteella hallitsevin vakanssityyppinen hilavirhe on galliumvakanssi, mutta pääasiallinen syy sille, että seostamaton GaSb on p-tyyppistä, on ioni-tyyppinen virhe, jossa Ga-atomi on Sb-atomin hilapaikalla. Voimakkaasti arseenilla, fosforilla ja antimonilla seostettuja germaniumnäytteitä on tutkittu Doppler-levenemä- ja elinaikamittausten avulla. Tuloksista nähdään, että hallitsevinvirhetyyppi kaikissa näytteissä on kompleksi, joka koostuu vakanssista ja kolmesta epäpuhtausatomista. Arseenilla ja fosforilla seostettujen germaniumnäytteiden tapauksessa positroniannihilaatio on saturaatiossa tai saturaation tyyppisessä tilassa, kun taas antimonilla seostetussa germaniumnäytteessä vain osa positroneista loukkuuntuu komplekseihin ennen annihilaatiota.Description
Supervising professor
Tuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Slotte, Jonatan, Ph.D., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: S. Kilpeläinen, J. Kujala, F. Tuomisto, J. Slotte, Y-W. Lu and A. Nylandsted Larsen. Si nanoparticle interfaces in Si/SiO2 solar cell materials. Journal of Applied Physics, 114, 16, 164316, October 2013.
DOI: 10.1063/1.4824826 View at publisher
-
[Publication 2]: J. Kujala, J. Slotte, F. Tuomisto, D. Hiller and M. Zacharias. Si nanocrystals and nanocrystal interfaces studied by positron annihilation. Journal of Applied Physics, 120, 14, 145302, October 2016.
DOI: 10.1063/1.4964503 View at publisher
-
[Publication 3]: S K. Dhayalan, J. Kujala, J. Slotte, G. Pourtois, E. Simoen, E. Rosseel, A. Hikavyy, Y. Shimura, S. Iacovo, A. Stesmans, R. Loo and W. Vandervorst. On the manifestation of phosphorus-vacancy complexes in epitaxial Si:P films. Applied Physics Letters, 108, 8, 082106, February 2016.
DOI: 10.1063/1.4942605 View at publisher
-
[Publication 4]: J. Kujala, T. Südkampand, J. Slotte, I. Makkonen, F. Tuomisto, H. Bracht. Vacancy-donor complexes in highly n-type Ge doped with As, P and Sb. Journal of Physics: Condensed Matter, 28, 33, 335801, June 2016.
DOI: 10.1088/0953-8984/28/33/335801 View at publisher
-
[Publication 5]: J. Kujala, N. Segercrantz, F. Tuomisto and J. Slotte. Native point defects in GaSb. Journal of Applied Physics, 116, 14, 143508, October 2014.
DOI: 10.1063/1.4898082 View at publisher