Integration of GaAsP based III-V compound semiconductors to silicon technology

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Sopanen, Markku, Prof., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland
dc.contributor.advisor Huhtio, Teppo, Docent, Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland
dc.contributor.author Jussila, Henri
dc.date.accessioned 2014-09-20T09:00:13Z
dc.date.available 2014-09-20T09:00:13Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5849-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5848-1 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14029
dc.description.abstract This thesis examines the integration of GaAsP based III-V compound semiconductors to silicon technology using two different concepts: the monolithic growth of GaP and the vapor-liguid-solid (VLS) growth of GaAs nanowires (NWs). Sample fabrication was performed by metalorganic vapor phase epitaxy. It was observed that the growth of GaP needs to be started at low temperatures to obtain a layer-by-layer growth mode. AFM examinations indicated that careful surface preparation prior to the growth is crucial. GaAs NWs were crystallized in the zinc-blende crystal structure and it was observed that the VLS growth method enables the fabrication of GaAs NWs on silicon and even on amorphous low-cost substrates. The growth and characterization of Ga(As)PN alloys, with the composition nearly lattice-matched to silicon, was examined by various methods and it was observed that nitrogen incorporation complicates the growth process. Formation of a misfit dislocation network in the GaP0.98N0.02/GaP interface occurred when the film thickness was about 200 nm. The nitrogen incorporation efficiency was extremely low and it was observed that the amount of nitrogen related point defects increased with the nitrogen content. However, raman scattering and X-ray diffraction measurements implied that the nitrogen incorporation enables the fabrication of GaP based strain compensated structures on silicon substrates. The effect of nitrogen incorporation on the energy band structure of GaAsPN was studied by photoluminescence (PL) and photoreflectance (PR) measurements. The different locations of PL and PR transitions suggested the PL signal to originate from the states related to nitrogen clusters. Furthermore, the conduction band splitting of GaAsPN alloys was observed by the PR measurements. Diodes fabricated from this material were chracterized to gather information from the absorption properties of the material. The photocurrent spectra revealed transitions from the split conduction band and the use of this type of structure in different solar cell devices was discussed. The surface passivation of GaAs was studied fabricating a high-k metal insulator semiconductor capacitors from GaAs with an insulator stack comprised of an AlN surface passivation layer and a high-k HfO2 layer. The Fermi level unpinning in the interface was shown by capacitance-voltage and current-voltage measurements. en
dc.description.abstract Tämä väitöskirja tutkii GaAsP-pohjaisten III-V yhdistepuolijohteiden integroimista piiteknologiaan. Kaikki tutkitut näytteet valmistettiin metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla. Integroimismenetelminä käytettiin GaP-kiteen monoliittista valmistamista ja GaAs-nanolankojen valmistamista VLS-menetelmällä (engl. vapor-liquid-solid). Atomivoimamikroskooppikuvat valmistetuista GaP-kiteistä osoittivat, että piin pintakäsittely ennen kasvatusta on äärimmäisen tärkeää ja että kasvatus täytyy aloittaa matalassa lämpötilassa. Röntgendiffraktiomittaukset puolestaan osoittivat, että VLS-menetelmällä kasvatetut GaAs-nanolangat olivat kiteytyneet halutusti sinkkivälkehilaan. GaAsPN-yhdisteen kasvatusta ja erilaisia ominaisuuksia tutkittiin monella eri menetelmällä. Näissä tutkimuksissa huomattiin, että typen lisääminen kiteeseen aiheuttaa monia ongelmia. Epäsopudislokaatioverkon (engl. misfit dislocation network) huomattiin syntyvän GaP0.98N0.02/GaP-rajapintaan kerrospaksuuden ylittäessä 200 nm. Typen substituution kiteeseen havaittiin heikkenevän ja lopulta häviävän typpipitoisuuden kasvaessa. Raman- ja XRD-mittaukset kuitenkin viittasivat siihen, että typen lisääminen GaP-kiteeseen pienentää hilaepäsovusta syntyvää jännitystä, jos GaPN-kide on kasvatettu piin päälle. GaAsPN-energiavyörakennetta tutkittiin fotoluminesenssi- ja fotoreflektanssimittausmenetelmillä. GaPN:sta fotoreflektanssilla mitatun transition huomattiin sijaitsevan eri paikassa kuin missä sen fotoluminesenssimittauksen perusteella uskottiin sijaitsevan. Tämä selitettiin sillä, että fotoluminesenssin havaitsema suora transitio tapahtui monimutkaisten typpikonfiguraatioiden muodostamista energiatiloista jotka sijaitsivat fotoreflektanssin havaitseman transition alapuolella. Fotoreflektanssimittaus havaitsi GaAsPN:n johtavuusvyön jakaantumisen. Tätä materiaalia käytettiin aurinkokennojen valmistukseen ja tämän materiaalin ominaisuuksien hyötykäyttöä erilaisissa aurinkokennosovelluksissa pohdittiin. GaAs:n pintapassivointia tutkittiin valmistamalla metalli-eriste-puolijohdekondensattoreita. Komponenttien eristekerros valmistettiin suuren dielektrisyysvakion omaavasta HfO2:sta ja 2 nm paksusta AlN:stä valmistetusta passivointikerroksesta käyttäen ALD-valmistusmenetelmää (engl. atomic layer deposition). Kapasitanssi-jännite ja virta-jännitemittaustulokset viittasivat siihen, että yleisesti havaittua Fermi level pinning -ilmiö ei ilmennyt komponentin toiminnassa. fi
dc.format.extent 86 + app. 64
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 135/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: H. Jussila, S. Nagarajan, T. Huhtio, H. Lipsanen, T. O. Tuomi, and M. Sopanen. Structural study of GaP layers on misoriented silicon (001) substrates by transverse scan analysis. Journal of Applied Physics, 111, 043518, 6p., 2012. doi:10.1063/1.3686711.
dc.relation.haspart [Publication 2]: H. Jussila, S. Nagarajan, P. Mattila, J. Riikonen, T. Huhtio, M. Sopanen, and H. Lipsanen. Growth and characterization of GaP layers on silicon substrates by metal-organic vapour phase epitaxy. Physica Status Solidi C, 9, 7, 1607-1609, 2012. doi:10.1002/pssc.201100577.
dc.relation.haspart [Publication 3]: V. Dhaka, T. Haggren, H. Jussila, H. Jiang, E. Kauppinen, T. Huhtio, M. Sopanen, and H. Lipsanen. High Quality GaAs Nanowires Grown on Glass Substrates. Nano Letters, 12, 4, 1912-1918, 2012. doi:10.1021/nl204314z.
dc.relation.haspart [Publication 4]: T. Haggren, A. Perros, V. Dhaka, T. Huhtio, H. Jussila, H. Jiang, M. Ruoho, J.-P. Kakko, E. Kauppinen, and H. Lipsanen. GaAs Nanowires grown on Al-doped ZnO buffer layer. Journal of Applied Physics, 114, 084309, 7p., 2013. doi:10.1063/1.4819797.
dc.relation.haspart [Publication 5]: H. Jussila, S. Nagarajan, S. Sintonen, S. Suihkonen, A. Lankinen, T. Huhtio, C. Paulmann, H. Lipsanen, T. O. Tuomi, and M. Sopanen. Evaluation of critical thickness of GaP0.98N0.02 layer on GaP substrate by synchrotron X-ray diffraction topography. Thin Solid Films, 534, 680-684, 2013. doi:10.1016/j.tsf.2013.02.054.
dc.relation.haspart [Publication 6]: H. Jussila, K. M. Yu, J. Kujala, F. Tuomisto, S. Nagarajan, J. Lemettinen, T. Huhtio, T.O. Tuomi, H. Lipsanen and M. Sopanen. Substitutionality of nitrogen atoms and formation of nitrogen complexes and point defects in GaPN alloys. Journal of Physics D: Applied Physics, 47, 075106, 6p., 2014. doi:10.1088/0022-3727/47/7/075106.
dc.relation.haspart [Publication 7]: S. Nagarajan, H. Jussila, J. Lemettinen, K. Banerjee, M. Sopanen, and H. Lipsanen. Strain-compensated GaPN/GaP heterostructure on silicon (100) substrates for intermediate band solar cells. Journal of Physics D: Applied Physics, 46, 165103, 6p., 2013. doi:10.1088/0022-3727/46/16/165103.
dc.relation.haspart [Publication 8]: H. Jussila, P. Mattila, J. Oksanen, A. Perros, J. Riikonen, M. Bosund, A. Varpula, T. Huhtio, H. Lipsanen, and M. Sopanen. High-k GaAs metal insulator semiconductor capacitors passivated by ex-situ plasma-enhanced atomic layer deposited AlN for Fermi-level unpinning. Applied Physics Letters, 100, 071606, 4p., 2012. doi:10.1063/1.3687199.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Integration of GaAsP based III-V compound semiconductors to silicon technology en
dc.title GaAsP-pohjaisten III-V yhdistepuolijohteiden integroiminen piiteknologiaan fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Mikro- ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Micro and Nanosciences en
dc.subject.keyword semiconductor devices en
dc.subject.keyword MOVPE en
dc.subject.keyword silicon en
dc.subject.keyword gallium phosphide en
dc.subject.keyword dilute nitrides en
dc.subject.keyword XRD en
dc.subject.keyword puolijohdekomponentit fi
dc.subject.keyword pii fi
dc.subject.keyword gallium fosfidi fi
dc.subject.keyword integraatio fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5849-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Lipsanen, Harri, Prof., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland
dc.opn Kudrawiec, Robert, Prof., Wroclaw University of Technology, Poland
dc.date.dateaccepted 2014-06-24
dc.rev Durand, Olivier, Prof., Université Européenne de Bretagne, France
dc.rev Stolz, Wolfgang, Prof. Doctor, Philipps-Universität Marburg, Germany
dc.date.defence 2014-09-26


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account