Browsing by Author "Riuttanen, Lauri"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 12 of 12
  • Diffusion injected light emitting diode
    (2015) Riuttanen, Lauri
     School of Electrical Engineering | Doctoral dissertation (article-based)
    Lighting plays a major role in consumption of electrical energy in the world. Thus, increasing the efficiency of light sources is one key element in reducing the green house gas emissions. Light emitting diodes (LEDs) are gaining a foothold in general lighting. Despite their rapid development in light output and their superior efficiency compared to other light sources, LEDs still need improvements in order to become the ultimate lighting technology. A typical LED is a double heterojunction (DHJ) structure, in which the active region fabricated from a lower band gap material is sandwiched between higher band gap p- and n-doped regions. By biasing such a structure electrons and holes are transferred by current into the active region, where they recombine releasing energy as photons. The carrier injection in a conventional LED structure is typically efficient. However, in more exotic novel structures based on nanowires or near surface nanostructures, fabricating a DHJ becomes difficult. This thesis presents the experimental studies on a novel current injection method for light emitting applications. The method is based on bipolar diffusion of charge carriers. Unlike in the conventional method, the active region does not have to placed between the p- and n-layers of the pn-junction. The diffusion injection method is experimentally demonstrated by two types of prototype structures. The first prototype was fabricated using a multi quantum well (MQW) stack buried under the pn-junction. The second prototype was fabricated using a near surface quantum well (QW) placed on top of the pn-junction. The first prototype showed that the diffusion current components can be used to excite an active region outside of the pn-junction. The second prototype showed a large improvement in injection efficiency as well as the suitability of the method for exciting surface structures. The applications of diffusion injection can be found in blue galliun nitride based LEDs studied in this thesis as well as in green solid-state light sources, light sources integrated into silicon technology and devices based on nanostructures and plasmonics.
  • Diffusion injected multi-quantum well light-emitting diode structure
    (2014) Riuttanen, Lauri; Kivisaari, Pyry; Nykänen, Henri; Svensk, Olli; Suihkonen, Sami; Oksanen, Jani; Tulkki, Jukka; Sopanen, Markku
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
  • Diffuusioinjektoitujen InGaN/GaN LED-rakenteiden valmistus ja karakterisointi
    (2014-12-18) Vasara, Teemu
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Electrical injection to contactless near-surface InGaN quantum well
    (2015-08-03) Riuttanen, Lauri; Kivisaari, Pyry; Svensk, Olli; Oksanen, Jani; Suihkonen, Sami
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    Charge injection to the prevailing and emerging light-emitting devices is almost exclusively based on the double heterojunction (DHJ) structures that have remained essentially unchanged for decades. In this letter, we report the excitation of a near surface indium gallium nitride (InGaN) quantum well (QW) by bipolar carrier diffusion from a nearby electrically excited pn-homojunction. The demonstrated near surface QW emitter is covered only by a 10nm GaN capping leaving the light-emitting mesa perfectly free of metals, other contact, or current spreading structures. The presented proof-of-principle structure, operating approximately with a quantum efficiency of one fifth of a conventional single QW reference structure, provides conclusive evidence of the feasibility of using diffusion injection to excite near surface light-emitting structures needed, e.g., for developing light emitters or photo-voltaic devices based on nanoplasmonics or free-standing nanowires. In contrast to the existing DHJ solutions or optical pumping, our approach allows exciting nanostructures without the need of forming a DHJ, absorbing layers or even electrical contacts on the device surface.
  • Electrical measurement of internal quantum efficiency and extraction efficiency of III-N light-emitting diodes
    (2012) Kivisaari, Pyry; Riuttanen, Lauri; Oksanen, Jani; Suihkonen, Sami; Ali, Muhammad; Lipsanen, Harri; Tulkki, Jukka
     School of Electrical Engineering | A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We propose a direct electrical measurement method for determining the extraction efficiency (EXE) and internal quantum efficiency(IQE) of III-Nitride light-emitting diodes(LEDs). The method is based on measuring the optical output power as a function of injection current at current densities near the external quantum efficiency (EQE) maximum and extracting IQE and EXE from the measurement data. In contrast to conventional methods, our method requires no low temperaturemeasurements or prior knowledge of the device structure. The method is far more convenient than commonly used methods because it enables measuring the EXE and IQE of different LED structures at room temperature directly in a repeatable and consistent way. This enables convenient comparison of LED structures. We apply the method to determine the IQE and EXE of one commercial LED and selected self-grown planar LED chips to compare the effects of different LED structure designs. Our results are in line with published experimental results and also give more insight to our earlier findings regarding the effects of growth parameters on the quantum efficiency. In addition, our measurement method allows estimating the Shockley-Read-Hall and radiative recombination parameters if the Auger parameter is known.
  • Electrical measurement of internal quantum efficiency and extraction efficiency of III-N light-emitting diodes
    (2012) Kivisaari, Pyry; Riuttanen, Lauri; Oksanen, Jani; Suihkonen, Sami; Ali, Muhammad; Lipsanen, Harri; Tulkki, Jukka
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    We propose a direct electrical measurement method for determining the extraction efficiency (EXE) and internal quantum efficiency (IQE) of III-Nitride light-emitting diodes (LEDs). The method is based on measuring the optical output power as a function of injection current at current densities near the external quantum efficiency (EQE) maximum and extracting IQE and EXE from the measurement data. In contrast to conventional methods, our method requires no low temperature measurements or prior knowledge of the device structure. The method is far more convenient than commonly used methods because it enables measuring the EXE and IQE of different LED structures at room temperature directly in a repeatable and consistent way. This enables convenient comparison of LED structures. We apply the method to determine the IQE and EXE of one commercial LED and selected self-grown planar LED chips to compare the effects of different LED structure designs. Our results are in line with published experimental results and also give more insight to our earlier findings regarding the effects of growth parameters on the quantum efficiency. In addition, our measurement method allows estimating the Shockley-Read-Hall and radiative recombination parameters if the Auger parameter is known.
  • InGaN/GaN LEDien sähköinen ja optinen käyttäytyminen kryogeenisissä lämpötiloissa
    (2012-12-07) Mäntyoja, Nikolai
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Lämpötilan vaikutus GaN-hohtodiodien hyötysuhteen droop-ilmiöön
    (2012) Järvinen, Pekka
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Luminescence properties of GaN based diffusion injected light emitting diode structures
    (2015-06-10) Myllys, Pertti
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    Uusiin nanorakenteisiin perustuvien hohtodiodien (LED, light emitting diode) odotetaan parantavan LED:en suorituskykyä, mutta perinteiseen LED-malliin perustuvat uudet rakenteet kohtaavat kuitenkin haasteita sekä valmistuksessa että varaustenkuljettajien syötön hyötysuhteessa. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi on uudenlainen virransyöttörakenne valmistettu perustuen varauksenkuljettajien diffuusioon. Diffuusioinjektoiduissa LED-rakenteissa (DILED, diffusion injected light emitting diode) aktiivinen alue sijaitsee pn-liitoksen ulkopuolella ja varauksenkuljettajat diffusoituvat aktiiviselle alueelle samalta puolelta. Tässä diplomityössä keskitytään kolmen erilaisen GaN-pohjaisen DILED-rakenteen luminesenssi ominaisuuksiin. Rakenteet sisältävät kaksi erilaista haudattua monikvanttikaivorakennetta ja yhden pintakvanttikaivorakenteen. Tavoitteena on karakterisoida ja selvittää kyseisten uusien laitteiden tehokkuus ja soveltuvuus uutena LED-mallina. Rakenteet mitattiin elektroluminesenssi (EL), mukaan lukien lämpötilakontrolloitu tilanne, fotoluminesenssi (PL) sekä mikrofotoluminesenssi (µ-PL) menetelmillä. Toisin kuin perinteiset LED:t, DILED-rakenteiden emissio kasvaa lämpötilan kasvaessa. Hyvyysluvut, kuten ulkoinen kvanttihyötysuhde, optinen lähtöteho ja tehohyötysuhde, olivat suhteellisen alhaiset jokaisessa haudatussa monikvanttikaivorakenteessa. Jokaisen hyvyysluvun arvo kuitenkin kasvoi syötetyn virran suhteen, mikä on perinteisille GaN-pohjaisille LED-rakenteille päinvastainen. Pintakvanttikaivollisten DILED:en emissio oli liian heikko mitattavaksi optisella kuidulla, joten vain PL ja µ-PL mittaukset suoritettiin. Kaikki DILED-rakenteet tarjoavat vaihtoehtoisen tavan virran syötölle, uuden mahdollisuuden laitesuunnittelulle sekä auttavat ratkaisemaan GaN-pohjaisten LED:en kehityksessä ilmeneviä haasteita.
  • Pakkausprosessikehitys näkyvän alueen LED:eille
    (2014-03-31) Sippola, Perttu
     Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
    Valoa emittoivien diodien (LED) pakkausprosessi on suurin kuluerä koko tuotannossa. Tämä hidastaa korkean hyötysuhteen LED:ien laajaa omaksumista yleisvalaistukseen. Tässä diplomityössä kehitettiin pakkausprosessi optisen alueen LED:lle. Tutkimus ja kehitys suoritettiin Aalto-yliopiston Optoelektroniikan tutkimusryhmässä. Pakattujen LED:ien suorituskykyä tutkittiin elektroluminesenssi-mittauksilla ja pakkausepoksia optisella transmissiomittauksella. Kehitetty pakkausprosessi koostuu neljästä päävaiheesta. Ensin prosessoitu safiirikiekko sahataan yksittäisiksi LED-siruiksi kiekkosahalla. Seuraavaksi LEDsiru kiinnitetään metalliseen kahden pinnin TO-46 alustaan kiinnitysepoksilla. Tämän jälkeen sirun sähköiset kontaktit liitetään alumiinilangalla metallialustan kontakteihin. Lopulta LED-komponentti koteloidaan valamalla se läpinäkyvään pakkausepoksiin. Työn tuloksena valmistettiin sinisiä matalateho-LED:ejä tutkimustarkoituksiin. Mittausten tuloksena todettiin valitun kupuepoksin pystyvän korkeaan transmissioon sinisten LED:ien emissioaallonpituudella ja koko näkyvällä alueella. Elektroluminesenssimittausten tuloksena puolestaan havaittiin pakkausprosessoitujen LED:ien pystyvän tuottamaan 5,3 % ulkoisen kvanttihyötysuhteen (EQE, external quantum efficiency) ja 3,5 mW optisen tehon 20 mA ajovirralla. Optista suorituskykyä mittattiin ja vertailtiin myös prosessoidun kiekon kolmen eri alueen LEDsiruista ennen ja jälkeen epoksikoteloinnin. Mittaukset osoittivat LED-kiekolla esiintyvän eroja LED:ien optisessa tehossa ja EQE:ssä. Lisäksi epoksin todettiin laskevan emittoituvaa optista tehoa. Silti pakkausprosessin laadun todettiin täyttävän LED-pakkauksen vaatimukset riittävästi.
  • Plasma-avusteisella atomikerrosvalmistusmenetelmällä valmistetun alumiininitridikalvon lämpökäsittely ja soveltuvuus epitaktisen galliumnitridin alustana
    (2010) Riuttanen, Lauri
     Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta | Master's thesis
    III-nitridit, kuten alumiini-, gallium- ja indiumnitridi (AlN, GaN, InN) sekä niiden yhdisteet, valmistetaan tyypillisesti safiirialustakiteille. Tässä työssä perehdytään mahdollisuuksiin korvata safiiri piillä alustamateriaalina. Piin etuina safiiriin nähden on sen lämmön- ja sähkönjohtavuus. III-nitridien valmistaminen piikiekoille vähentäisi III-nitridipohjaisten komponenttien valmistuskustannuksia sekä mahdollistaisi perinteisen piiteknologian integroimisen III-nitridipohjaisiin komponentteihin. Piin päälle valmistettavien III-nitridikerrosten valmistus aloitetaan tyypillisesti hilavakioiden eroja kompensoivan AlN-kerroksen valmistamisella. Työssä tutkittiin piin päälle plasma-avusteisella atomikerrosvalmistusmenetelmällä (PEALD, plasma-enhanced atomic layer deposition) valmistetun AlN-kalvon soveltuvuutta GaN:n valmistusalustana. AlN-kalvoja valmistettiin eri kidesuunnan omaaville piikiekoille ja tutkittiin lämpökäsittelyn vaikutusta niiden ominaisuuksiin. Kalvoja lämpökäsiteltiin eri lämpötiloissa sekä pikauunilla (RTP, rapid thermal processor) että perinteisellä putkiuunilla (CTF, conventional tube furnace). Tutkimuksen päätteeksi AlN-kalvon päälle valmistettiin GaN-kalvo metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla (MOVPE, metallo-organic vapor phase epitaxy) ja tutkittiin valmistetun GaN-kalvon ominaisuuksia. Valmistetut AlN-kalvot olivat noin 200 nm paksuja ja niiden todettiin olevan amorfisia röntgendiffraktiomittausten (XRD, X-ray diffraction) perusteella. Valmistetuissa kalvoissa ei havaittu reikiä eikä säröjä. Lämpökäsittelyn jälkeen kalvoissa havaittiin säröjä. Kalvot säilyttivät amorfisen luonteensa lämpökäsittelyssä. MOVPE:lla valmistetut GaN-kalvot olivat erittäin karheita sekä monikiteisiä.
  • Sininen puolijohdelaser
    (2008) Riuttanen, Lauri
     Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta | Bachelor's thesis