Atomistic simulation of damage production by atomic and molecular ion irradiation in GaN

Gallium nitride (GaN) has emerged as one of the most important semiconductors in modern technology. GaN-based device technology was mainly pushed forward by invention of p-type doping and the successful fabrication of light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). Intensive studies in the last 20 years on GaN have significantly advanced the understanding of the properties and have expanded the range of practical applications. Beside basic lighting, current applications of GaN include high-power and high temperature electronics, microwave, optoelectronic devices, and so on. The successful production of optical devices demands efficient tuning of charge carrier lifetime where defect engineering plays a vital role. During growth, varying the level of recombination centers is difficult, whereas ion irradiation can do this job efficiently on a final product. On the other hand, during doping, undesirable defects can also be produced and epitaxial GaN is known to have a highly defective structure. Thus, having both positive and negative aspects, it is very important to have a detailed understanding of irradiation-induced defects. To explain experimental findings, atomic level understanding is necessary, but it is not always possible to have an atomistic view of defect dynamics in experiments. Some damage build-up studies by single ions have been reported in the literature, but not many by molecular ions. In this thesis, the irradiation of GaN by single and molecular ions by the means of atomistic simulations was studied. Detailed analysis mainly of what kind of defects, their distribution, reason of defect formation and time evolution have been studied and compared with experiments. The irradiation response of both bulk and nano-structured GaN system were studied. For bulk studies, all projectiles were irradiated having the same energy per mass. The damage by molecular ions showed strong dynamic annealing. No non-linearity had been observed in the total number of point defects between single and molecular ions. On the other hand, molecular ions produce larger clusters of point defects than single ions. These large defect clusters can be one of the mechanisms of the experimentally observed faster carrier decay time for molecular projectiles. Defects were mostly concentrated at the surface and near surface regions, which is also evident from experiments. Comparison between a similar mass single ion and a molecular ion show that a single ion produced more defect clusters than molecular ions. This suggests that heavy ions are even more efficient than similar mass cluster ions to quench the carrier lifetime. Irradiation of a GaN nanowire (NW) reveals that a large surface to volume ratio promotes high density of surface defects. The experimentally observed yellow luminescence band is correlated with these defect induced surface states. Irradiation induced defects also expand the lattice parameters of the NW.Galliumnitriitistä (GaN) on tullut yksi modernin teknologian tärkeimmistä puolijohteista. GaN pohjaista laiteteknologiaa ajoi eteenpäin pääasiassa p tyyppisen saostaminen keksiminen ja hohto- (LED) ja laserdiodien (LD) menestyksekäs valmistaminen. Viimeisen 20 vuoden aikana tehty GaN:in intensiivinen tutkimus on merkittävästi lisännyt sen ominaisuuksien ymmärtämistä ja lisännyt sen sovelluskohteiden määrää. Valaistuksen lisäksi nykyisiä GaN sovelluskohteita ovat muun muassa suuren sähkötehon ja suuren lämpötilan elektroniikka, mikroaaltouunit, optoelektroniset laitteet. Optisten laitteiden menestyksekäs valmistaminen vaatii että varauksen kantajien elinikää voidaan säätää tehokkaasti. Tässä kidevirheinen hallittu valmistaminen on tärkeässä roolissa. Rekombinaatiokeskusten määrän säätely kasvun aikana on vaikeaa, siinä missä ionisäteilytyksen avulla lopputuotteessa tämä on helppoa. Toisaalta saostamisen aikana voi syntyä myös ei-toivottuja kidevirheitä, ja epitaksiaalisen GaN:in tiedetään sisältävän runsaasti kidevirheitä. Koska ionisäteilytyksellä on siis sekä positiivisia että negatiivisia vaikutuksia, on tärkeää että säteilyn aiheuttamia kidevirheitä ymmärretään tarkasti. Kokeellisten tulosten selittämiseksi vaaditaan atomitason ymmärrys, mutta aina ei ole mahdollista saada atomistista kuvaa kidevirheiden dynamiikasta kokeissa. Joitakin tutkimuksia yksittäisten ionien vaurion muodostumisesta on raportoitu kirjallisuudessa mutta harvoja molekyyli-ioneille. Tässä väitöskirjassa tutkittiin GaN:in säteilytystä yksittäisillä ja molekyyli-ioneilla molekyylidynamiikan avulla. Pääasiassa kidevirheiden tyypistä, jakaumasta, niiden muodostumisen syistä ja ajallisesta kehityksestä on tehty tarkka analyysi ja verrattu kokeisiin. Säteilyresponssia tavallisessa (bulk) ja nanorakenteisessa GaN:ssä tutkittiin. Bulkissa kaikkilla ioneilla oli sama liike-energia massaa kohden. Molekyyli-ionien tuottamassa vahingossa esiintyi vahvaa dynaamista anhillointia. Epälineaarisuutta pistevirheiden kokonaislukumäärässä yksittäisten ja molekyyli ionien välillä ei havaittu. Toisaalta, molekyyli-ionit tuottavat suurempia pistevirheiden ryppäitä kuin yksittäiset ionit. Nämä kookkaat ryppäät saattavat olla yksi mekanismeista joka aiheuttaa kokeissa havaitun nopeamman varauksienkantajien hajoamisajan molekyyliammuksille. Kidevirheet sijaitsivat pääasiassa pinnalla tai sen läheisyydessä, mikä on selvää myös kokeista. Vertailu samanmassaisten yksittäisten ionien ja molekyyli-ionien välillä osoitti, että yksittäinen ioni tuottaa enemmän defektiryppäitä kuin molekyyli-ioni. Tämän perusteella vaikuttaa, että raskaat ionit ovat molekyyli-ioneja tehokkaampia lyhentämään varauksenkantajien elinikää. GaN nanolankojen säteilytys osoitti, että suuri pinta-alan ja tilavuuteen suhde aiheuttaa suuren pintadefektien konsentraation. Kokeellisesti havaittulla keltaisella luminesenssivyöllä on korrelaatio näiden pintadefektien aiheuttamien pintatilojen kanssa. Säteilyn indusoimat defektit myös isontavat nanolangan hilaparametreja