Thermal characterization of III–V semiconductor core-shell nanowire arrays

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2019-03-11

Department

Major/Subject

Advanced Materials and Photonics

Mcode

ELEC3035

Degree programme

NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)

Language

en

Pages

57+8

Series

Abstract

Thermal management in electronics has become increasingly important due to the possibility of fabricating very small structures using different nanotechnologies. On the other hand, III–V semiconductor materials have gained interest especially in optoelectronics and photovoltaics due to their excellent optoelectronic properties. Each of these properties may be further engineered by introducing artificial nanostructures. A pivotal structure is the nanowire, which may be realized also as arrays consisting of countless nanowires, thus facilitating device integration. Moreover, the thermal conductivity of nanowires may be engineered by introducing thin coating layers, creating core-shell nanowires (CSNWs). Here we investigate the thermal properties of GaAs-AlAs and GaAs-AlGaAs CSNW arrays epitaxially grown by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The nanowire array samples are embedded in spin-on-glass (SOG), chemi-mechanically polished (CMP) and deposited with Ti and Au layers acting as transducer layers prior to the transient thermoreflectance (TTR) measurement. The aim of this work is to establish the experimental thermal conductivity values for GaAs-based nanowire arrays and to evaluate the origin of heteroshell-induced effects on the thermal conductivity of the arrays. The experimental results display a reduction of thermal conductivity for 56 nm thick GaAs nanowires coated with AlAs shells of different thicknesses, the maximum reduction taking place with shell thickness of 35 nm. Additionally, a 6.59 W m^−1 K^−1 thermal conductivity for 105 nm GaAs nanowire arrays was measured, congruent with the previous publications on the subject. Addition of different shells resulted in a suppressed thermal conductivity with the average reduction amounting to 21.6%. The reduction is theorized to origin from the interplay of phonon trapping and increased scattering at the core-shell interface. Further measurements are required to determinate the interface quality and its effect on the phenomenon.

Elektroniikan lämmönhallinta on tullut yhä tärkeämmäksi nanotekniikan viimeaikaisen kehittymisen aiheuttaman komponenttien koon pienenemisen takia. Toisaalta III–V-puolijohdemateriaalit ovat herättäneet mielenkiintoa erityisesti optoelektroniikassa ja aurinkosähkösovelluksissa niiden erinomaisten valosähköisten ominaisuuksien ansiosta. Kutakin ominaisuutta voidaan edelleen kehittää hyödyntämällä keinotekoisia nanorakenteita. Yksi keskeisistä rakenteista on nanolanka, joita voidaan kasvattaa lukuisista nanolangoista koostuvina hiloina laiteintegraation mahdollistaen. Nanolankojen lämmönjohtavuutta voidaan muokata päällystämällä niitä ohuilla kerroksilla aikaansaaden näin ydinkuorinanolankoja. Tässä diplomityössä tutkitaan metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla (MOVPE) kasvatettujen GaAs-AlAs- ja GaAs-AlGaAs-ydinkuorinanolankahilojen lämpöominaisuuksia. Nanolankahilanäytteet upotetaan juoksevaan lasiin, minkä jälkeen näytteet planarisoidaan kemiallis-mekaanisella kiillotuksella (CMP). Planarisoinnin jälkeen näytteille evaporoidaan titaani- ja kultakalvot, jotka toimivat välittäjäkerroksina transientille lämpöreflektanssimittaukselle (TTR). Työn tavoitteena oli mitata kokeellisesti GaAs-pohjaisten nanolankahilojen lämmönjohtavuus ja selvittää kuorimateriaalin lisäyksen vaikutus hilojen lämmönjohtavuuteen. Kokeellisissa tuloksissa havaittiin lämmönjohtavuuden aleneminen eripaksuisilla AlAs-kuorilla pinnoitetuilla keskiarvopaksuudeltaan 56 nm GaAs-nanolangoilla. Suurin muutos havaittiin 35nm kuoripaksuudella. Lisäksi keskiarvopaksuudeltaan 105 nm GaAs-nanolangoille mitattiin 6.59 W m^−1 K^−1 lämmönjohtavuus, mikä on samansuuntainen tulos aikaisemmin julkaistuihin tuloksiin verrattuna. Erilaisten kuorirakenteiden lisääminen aiheutti näissä nanolangoissa 21.6% keskimääräisen lämmönjohtavuuden aleneman. Muutoksen päätellään johtuvan fononiloukkuuntumisen ja lisääntyneen ydinkuorirajapintasironnan yhteisvaikutuksesta. Muutoksen alkuperän varmistaminen vaatii rajapinnan laadun määrittämistä ja lisämittauksia.

Description

Supervisor

Tittonen, Ilkka

Thesis advisor

Juntunen, Taneli

Keywords

nanowire, nanowire array, thermal conductivity, core-shell, III-V semiconductor, gallium arsenide

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201903172329

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC