Multiscale growth and doping simulations of nanostructured devices
Final Report Abstract
Gegenstand des Teilprojekts war die Entwicklung und Anwendung von Multiskalenmethoden zur Beschreibung des Wachstums und der Dotierung von Nanostrukturen in Gruppe-III-Nitrid-Halbleitern. Diese Methoden ermöglichen eine Kopplung von hochgenauen quantenmechanischen Ab-Initio-Techniken, die aber rechentechnisch zu aufwendig für eine direkte Beschreibung von Nanostrukturen sind, mit mesoskopischen Konzepten welche die dafür relevanten Längenskalen korrekt abbildet. Dabei wurden zwei Hauptrichtungen verfolgt. Zum einen die Multiskalenbeschreibung des epitaktischen Wachstums von Nanostrukturen in Gruppe-III-Nitridhalbleitern, wozu Ab-Initio-Rechnungen mit thermodynamischen Konzepten zur Berechnung von Oberflächenphasendiagrammen kombiniert wurden. Diese vollständig parameterfrei berechneten Phasendiagramme ermöglichten beispielsweise die Bestimmung optimaler Wachstumsbedingungen von InGaN-Quantenpunkten bzw. Quantendrähten, welche erfolgreich vom Teilprojekt Hommel zur experimentellen Realisierung solcher Strukturen eingesetzt wurden. Die zweite Entwicklungsrichtung betraf die Entwicklung geeigneter Ab-Initio-basierter Multiskalensimulationen zur Beschreibung der optischen und elektronischen Eigenschaften von niedrigdimensionalen Quantenstrukturen. Dazu wurden in enger Zusammenarbeit mit den theoretischen Teilprojekten von Herrn Jahnke und Herrn Czycholl Methoden entwickelt, die die Berechnung der elektronischen Zustände und ihrer Matrixelemente in Nanostrukturen erlauben. Mittels dieser Methoden gelang es in mehreren gemeinsamen Publikationen der Gruppen, die elektronischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunktstrukturen, wie sie in den experimentellen Aktivitäten realisiert wurden, zu berechnen und zu analysieren. Die im Projektantrag angegebenen Ziele zu den Wachstumssimulationen und zur Beschreibung der elektronischen Zustände in Nanostrukturen wurden realisiert. Bei der Schwerpunktsetzung gab es allerdings leichte Verschiebungen gegenüber dem ursprünglichen Antrag. Im Antrag wurden bei den Multiskalensimulationen der elektronischen Struktur zwei Aspekte gleichwertig behandelt: (i) Die Verwendung von GW-EXX berechneten Einteilchenenergien und Matrix-Elemente und (ii) die Entwicklung und Anwendung von k.p-Methoden. Die Modifizierung unseres ursprünglich nur für Dichtefunktionaltheorierechnungen geschriebenen Codes für k.p-Rechnungen erwies sich als so leistungsfähig und vielseitig, und ermöglichte eine so nicht geplante und auch publikationstechnisch sehr produktive Zusammenarbeit der Gruppen Neugebauer, Jahnke und Czycholl, so dass dieser Aspekt eine deutlich stärkere Rolle spielte als ursprünglich erwartet.
