Diffusion-Driven Charge Transport in III–V Optoelectronic Devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-03-08
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
98 + app. 42
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 41/2024
Abstract
Optoelectronics that seamlessly convert electrical energy to optical energy and vice versa have irreversibly changed our everyday lives through, e.g., the ubiquitous light-emitting diodes (LEDs) and increasingly important solar cells. The LEDs have revolutionized the lighting industry with improved efficiency and are also used to illuminate virtually every modern display, from smartphones and laptops to televisions. In parallel, solar cells generate increasing amounts of renewable energy, a critical component for global environmental initiatives. Despite recent advances in LEDs and solar cells, their core design principle has remained static: the active region (AR), where energy conversion mainly occurs, is placed between n- and p-doped high bandgap materials. However, emerging and more demanding solid-state fields have begun to expose limitations inherent to this core design. These limitations mainly comprise (1) resistive losses and (2) current crowding that can strongly increase heat generation at high powers, as well as (3) contact shading, which can notably reduce the illumination of solar cells. This thesis explores the possibilities of diffusion-driven charge transport (DDCT) within III–V compound semiconductor optoelectronics. In contrast to conventional LEDs and solar cells, the AR of the DDCT devices does not have to be placed between the n- and p-doped materials, as the AR can be excited via diffusion currents. This design allows near-surface active regions and opens the door for using III–V materials to fabricate interdigitated back-contact (IBC) structures that have historically been possible only for state-of-the-art silicon solar cells. The primary objectives of this thesis are to explore the general requirements, limits, and possible advantages of the DDCT devices through drift-diffusion simulations and to develop a fabrication process to demonstrate these unconventional laterally-doped gallium arsenide (GaAs) based structures also in practice. The simulation results suggest that the proposed DDCT structure can allow efficient and nearly resistance-free LEDs with fully exposed front surfaces for optimizing light extraction. Similarly, the results show that the structure is reciprocal and allows IBC designs for solar cells, which are also suitable for concentration photovoltaics. As such, DDCT devices promise to eliminate contact shading and mitigate current crowding challenges in GaAs-based LEDs and solar cells. To demonstrate the viability of these devices in practice, a method for fabricating them using selective area diffusion doping was developed. The first generation of DDCT prototypes was successfully demonstrated using thermal annealing to selectively redistribute dopant atoms incorporated in the device structure. These devices exhibited promising current-voltage and optical characteristics, suggesting that the developed annealing process holds great potential for fabricating DDCT devices.Optoelektroniset laitteet, jotka muuntavat energiaa sähkön ja valon välillä molempiin suuntiin ovat pysyvästi muuttaneet elämämme lähes kaikkialta löytyvien ledien ja lisääntyvien aurinkokennoasennusten kautta. Ledit ovat jo mullistaneet yleiset valaisimet erinomaisen hyötysuhteensa ansiosta ja ovat nykyään myös pääasiallinen tekniikka digitaalisten näyttöjen taustavaloissa, joita löytyy lähes jokaisesta älypuhelimesta, tietokonenäytöstä ja televisiosta. Toisaalta aurinkokennot tuottavat jatkuvasti kasvavia määriä uusiutuvaa aurinkoenergiaa, josta on tullut yksi kriittisistä työkaluista kansainvälisten ilmastotavoitteiden saavuttamisen kannalta. Ledien ja aurinkokennojen viimeaikaisista edistyksistä huolimatta niiden perusrakenne on säilynyt muuttumattomana. Laitteiden aktiivinen alue, jossa energiakonversio pääasiassa tapahtuu, on sijoitettu n- ja p-seostettujen alueiden väliin. Laitteille asetettujen vaatimuksien jatkuvasti kasvaessa tämän perinteisen rakenteen haitat alkavat olla ongelma. Näitä ovat pääasiassa (1) resistiiviset häviöt ja (2) heikko virranlevitys, jotka voivat johtaa laitteiden paikalliseen ylikuumenemiseen korkeilla tehoilla sekä (3) kontaktivarjostus. Tämä väitöskirja käsittelee diffuusiovirtoihin perustuvan varauksenkuljetuksen (DDCT, engl. diffusion-driven charge transport) mahdollisuuksia III–V -yhdistepuolijohteiden optoelektroniikassa. Perinteisiin rakenteisiin verrattuna, DDCT-laitteiden aktiivisen alueen ei tarvitse olla seostettujen alueiden välissä. Tämä mahdollistaa lähellä pintaa olevat aktiiviset alueet, sekä tarjoaa III–V -materiaaleille reitin kohti lomitettuja takakontaktirakenteita, jotka ovat perinteisesti olleet mahdollisia vain huipputeknisille piipohjaisille aurinkokennoille. Tämän väitöskirjan tavoite on kartoittaa DDCT-rakenteiden yleisiä vaatimuksia, rajoituksia ja mahdollisia hyötyjä numeeristen laitesimulaatioiden kautta sekä kehittää valmistusprosessi, jolla nämä epätyypilliset lateraalisesti seostetut gallium arsenidi (GaAs) pohjaiset laitteet voitaisiin demonstroida käytännössä. Simulaatiotulosten perusteella ehdotetut DDCT-rakenteet voivat mahdollistaa tehokkaita ja resistanssista lähes vapaita takakontaktoituja ledejä sekä aurinkokennoja, joiden etupinta on täysin vapaa valon ekstraktiolle. Näin ollen, GaAs-pohjaiset DDCT-laitteet ovat täysin vapaita kontaktivarjostuksesta ja ne myös vähentävät virranlevityksen ongelmia. Käytännön laitedemonstraatioita varten työssä kehitettiin lisäksi valmistus-menetelmä, joka perustuu rakenteen paikalliseen diffuusioseostukseen. Ensimmäiset prototyypit valmistettiin onnistuneesti hyödyntämällä rakenteen sisällä jo olevien seostusatomien uudelleenjärjestämistä lämpökäsittelyn aikana. Laitteista mitattujen sähköisten ja optisten ominaisuuksien perusteella kehitetty diffuusioprosessi on lupaava DDCT laitteiden valmistusta varten.Description
Supervising professor
Sopanen, Markku, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland; Ilmoniemi, Risto, Prof., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandThesis advisor
Oksanen, Jani, Dr., Aalto University, Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, FinlandKeywords
III–V, light-emitting diodes, solar cells, numerical simulations, lateral doping, III–V, ledit, aurinkokennot, numeerinen mallintaminen, lateraalinen seostus
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Antti Myllynen, Toufik Sadi, Jani Oksanen. Diffusion-driven GaInP/GaAs light-emitting diodes enhanced by modulation doping. Optical and Quantum Electronics, 51, p. 90.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062794DOI: 10.1007/s11082-019-1806-z, March 2019. View at publisher
-
[Publication 2]: Antti Myllynen, Toufik Sadi, Jani Oksanen. Current spreading in backcontacted GaInP/GaAs light-emitting diodes. IEEE Transactions on Electron Devices, 67, 3, pp. 1027–1033.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004032665DOI: 10.1109/TED.2020.2964662, March 2020. View at publisher
-
[Publication 3]: Antti Myllynen, Toufik Sadi, Jani Oksanen. Interdigitated backcontact double-heterojunction GaInP/GaAs solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 29, 1, pp. 47–53.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202010165862DOI: 10.1002/pip.3339, January 2021. View at publisher
-
[Publication 4]: Antti Myllynen, Sayed Ahmad Shahahmadi, Ivan Radevici, Jani Oksanen. Back-contacted GaInP/GaAs LED structures by ex-situ dopant redistribution. IEEE Transactions on Electron Devices, 70, 10, pp. 5156– 5162.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202311016716DOI: 10.1109/TED.2023.3302272, October 2023. View at publisher