Reducing optical and electrical losses in germanium via nanostructures and surface passivation

Thumbnail Image

Files

isbn9789526416786.pdf (55.48 MB)
isbn9789526416786_errata.pdf (108.68 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-03-19
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

2024

Department

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

65 + app. 53

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 35/2024

Abstract

Germanium (Ge) offers several distinct advantages over silicon, including higher carrier mobility and narrower bandgap, making it an attractive substrate material for various optoelectronic ap-plications, such as near-infrared detectors, multijunction solar cells, and thermophotovoltaics. However, the full potential of Ge has not been realized yet due to challenges related to optical and electrical losses, namely high reflectivity and high recombination at the surfaces. First, this dissertation addresses the high reflectivity of Ge surfaces by developing nanostructures, which could enable minimal reflectance over a wide spectral range resulting in visibly pitch-black Ge (b-Ge). b-Ge processes for two different fabrication methods, inductively-coupled plasma reactive-ion etching (ICP-RIE) and metal-assisted chemical etching (MACE), are developed. ICP-RIE is shown to be capable of producing b-Ge with a reflectance below 1% across 400–1600 nm wavelength range, whereas the MACE b-Ge reflectance remains somewhat higher at an average of 9%. Nevertheless, the MACE process provides some advantages over ICP-RIE, such as being con-siderably lower cost, making it equally competitive. In order to address the second main challenge, i.e. the high surface recombination, an ALD Al2O3-based surface passivation process is developed. ALD Al2O3 is demonstrated to provide efficient pas-sivation for polished Ge surfaces, achieving a surface recombination velocity (SRV) of 6.55 cm/s. This is obtained with optimized process parameters such as an HCl pre-treatment and a post-anneal in 400 °C for 30 mins. After more detailed characterization, it is identified that the low SRV is based on a strong field-effect rather than good chemical passivation. In order to improve the che-mical passivation, an ultra-high vacuum anneal as an ALD pre-treatment is employed. Conse-quently, the chemical passivation is improved but as a trade-off, the field-effect is reduced leading to a similar level of overall passivation. Finally, the above results are combined targeting a simultaneous reduction of reflective and recombination losses. In the case of ICP-RIE fabricated b-Ge, some chemical residues are obser-ved to deteriorate the surface passivation. Cyclical HCl and H2O2-based cleaning process is seen to remove the residues but simultaneously leads to changes in surface morphology and reflectance. Hence a trade-off between reflectance and surface passivation is necessary. As an example, without deteriorating the reflectance too much (< 2%), an SRV of 30 cm/s is obtained. In the case of MACE, achieving efficient surface passivation seems to be more complicated. The obtained results in this thesis give a good basis for designing high-efficiency optoelectronic devices.

Germaniumilla (Ge) on useita merkittäviä etuja piihin verrattuna, kuten varauksenkuljettajien suurempi liikkuvuus ja kapeampi kielletty energiaväli, mikä tekee siitä houkuttelevan substraattimateriaalin erilaisiin optoelektronisiin sovelluksiin. Niiden hyödyntäminen on kuitenkin jäänyt vähäiseksi johtuen germaniumin pinnan haasteellisista optisista ja elektronisista ominaisuuksista, joista merkittävimmät ovat heijastava peilipinta ja huomattava pintarekombinaatio. Aluksi tässä väitöskirjassa tutkitaan pintaheijastuksien vähentämistä kehittämällä nanorakenteita. Nanorakenteet mahdollistavat minimaalisen heijastuvuuden laajalla spektrialueella, jolloin tuloksena on täysin musta Ge. Työssä kehitetään kaksi erilaista valmistusprosessia mustalle Ge:lle, toinen induktiivisesti kytketyn plasman reaktiivisen ionisyövytyksen (ICP-RIE) avulla ja toinen metallikatalysoidun syövytyksen (MACE) avulla. ICP-RIE:n osoitetaan kykenevän tuottamaan mustaa Ge:tä, jolla heijastuvuus on alle 1% 400-1600 nm aallonpituusalueella. Vastaavasti MACE-käsitellyn pinnan keskimääräinen heijastuvuus pysyy jonkin verran korkeampana noin 9% keskimääräisellä heijastuksella. Siitä huolimatta, MACE-prosessi tarjoaa joitakin selkeitä etuja ICP-RIE:hen verrattuna, kuten alhaisemmat prosessointikustannukset, mikä tekee siitä houkuttelevan. Työn toinen pääteema on vähentää pinnan rekombinaatiota kehittämällä atomikerroskasvatettu (ALD) alumiinioksidipohjainen (Al2O3) passivointiprosessi. ALD Al2O3 tarjoaa tehokkaan passi-voinnin kiillotetuille Ge-pinnoille, tuloksena parhaimmillaan vain 6,55 cm/s suuruinen pintarekombinaationopeus. Tämä saavutetaan optimoiduilla prosessiparametreilla, kuten suolahappo (HCl) esikäsittelyllä ja pinnoitetun kalvon jälkilämmittämisellä 400 °C lämpötilassa 30 minuuttia. Tarkemman karakterisoinnin jälkeen havaitaan, että alhainen SRV perustuu suureen pintavarauksen määrään, eikä niinkään pinnan tehokkaaseen kemialliseen passivointiin. Kemiallisen passivoinnin parantamiseksi kehitetään ALD-esikäsittelyksi tyhjiössä suoritettava lämpökäsittely, jonka seurauksena kemiallinen passivointi paranee mutta samalla käsittely vähentää pintavarauksen määrää ja lopulta passivoinnin tehokkuus pysyy ennallaan. Työn lopullinen tavoite on yhdistää kehitetyt nanokuviointi- ja pintapassivointiprosessit ja siten samanaikaisesti pienentää sekä heijastus- että rekombinaatiohäviöitä. ICP-RIE:llä valmistetussa mustassa Ge:ssä havaitaan kemikaalijäämiä, jotka heikentävät pinnan passivointia. Syklisellä suolahappo ja vetyperoksidipohjaisella puhdistusprosessilla jäämät saadaan poistettua mutta samalla pinnan morfologia muuttuu ja heijastuvuus kasvaa. Täten heijastuvuuden ja pinnan passivoinnin välillä on tehtävä kompromissi. Esimerkiksi ilman heijastuvuuden liialllista heikkenemistä (< 2%), saadaan jo merkittävä parannus passivointiin (SRV ~ 30 cm/s). MACE:n tapauksessa pinnan tehokas passivointi vaikuttaa olevan monimutkaisempaa. Tässä työssä saavutetut tulokset antavat hyvän pohjan korkean hyötysuhteen optoelektronisten laitteiden suunnitteluun.

Description

Supervising professor

Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Thesis advisor

Vähänissi, Ville, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Keywords

germanium, black germanium, surface passivation, atomic layer deposition, germanium, musta germanium, pintapassivointi, atomikerroskasvatus

Other note

Parts

  • [Publication 1]: T. P. Pasanen, J. Isometsä, M. Garin, K. Chen, V. Vähänissi and H. Savin. Nanostructured Germanium with >99% Absorption at 300–1600 nm Wavelengths. Advanced Optical Materials, 8, 2000047124, March 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004092792
    DOI: 10.1002/adom.202000047 View at publisher
  • [Publication 2]: K. Chen, J. Isometsä, T. P. Pasanen, V. Vähänissi and H. Savin. Efficient photon capture on germanium surfaces using industrially feasible nanostructure formation. Nanotechnology, 32, 035301, October 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202102262132
    DOI: 10.1088/1361-6528/abbeac View at publisher
  • [Publication 3]: J. Isometsä, T. H. Fung, T. P. Pasanen, L. Hanchen, M. Yli-Koski, V. Vähänissi and H. Savin. Achieving surface recombination velocity below 10 cm/s in n-type germanium using ALD Al2O3. APL Materials, 11, pp. 3–10, November 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021120810639
    DOI: 10.1063/5.0071552 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Isometsä, Z. Jahanshah Rad, T. H. Fung, L. Hanchen, J. P. Lehtiö, T. P. Pasanen, O. Leiviskä, M. Miettinen, P. Laukkanen, K. Kokko, H. Savin, and V. Vähänissi. Surface Passivation of Germanium with ALD Al2O3: Impact of Composition and Crystallinity of GeOx Interlayer. Crystals, 13,667, April 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202305173138
    DOI: 10.3390/cryst13040667 View at publisher
  • [Publication 5]: T. H. Fung, J. Isometsä, J. P. Lehtiö, T. P. Pasanen, L. Hanchen, O. Leiviskä, P. Laukkanen, H. Savin, and V. Vähänissi. Efficient surface passivation of germanium nanostructures with 1% reflectance. Nanotechnology, 34, 355201, June 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308305340
    DOI: 10.1088/1361-6528/acd25b View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1678-6

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC