Zn diffusion doping of III-V semiconductors for new optoelectronics applications

Abstract

Modern high-power light-emitting diodes (LEDs) employ nanoscale structures composed of multiple layers of different III-V compound semiconductors. The same basic types of double heterojunctions (DHJs) have been used in high-efficiency LEDs for decades, and these structure have enabled LEDs to reach higher luminous efficacies than any competing lighting technology. However, issues with current crowding are limiting further improvements in efficiency. One novel method of current injection that could solve some of these problems is diffusion-driven current transport (DDCT), which involves using diffusion currents to drive charge carriers into the active area of the LED.

This thesis aims to investigate the viability of Zn diffusion doping as a fabrication technique for realizing GaAs-based DDCT LED structures. A spin-on glass process for Zn diffusion doping is developed and samples are fabricated using this method. An alternative contact scheme involving metal contacts directly deposited on the sample with no diffusion doped areas is also tested. Characterization of the fabricated samples is performed using current-voltage (IV), capacitance-voltage (CV) and Hall effect measurements. Visual inspections of surface and coating quality were performed using scanning electron microscopy (SEM). Light emission from the samples was observed using an infrared microscope camera system.

Successful p-type doping of intrinsic GaAs samples was achieved but attempts to convert n-type samples into p-type were unsuccessful due to insufficient density of diffused dopants. Light emission from the alternative contact structure was observed, which indicates successful hole injection. This suggests that direct deposition of metal contacts could be a viable option for realizing the first DDCT devices.

Nykyaikaisissa hohtodiodeissa (LED, engl. lightemitting diode) käytetään useista eri III-V -puolijohteista koostuvia nanomittakaavan kerrosrakenteita, joilla pyritään kasvattamaan niiden hyötysuhdetta. Korkean hyötysuhteen LEDien pohjana on jo vuosikymmenien ajan ollut samantyyppinen kaksoisheterorakenne, ja sillä on saavutettu merkittävästi muita valaistustekniikoita korkeampia hyötysuhteita. Virransyötön ongelmat rajoittavat kuitenkin nykyisillä rakenteilla saavutettavaa suorituskykyä. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi on esitetty uudenlaista, diffuusiovirtoja hyödyntävää virransyöttömenetelmää (DDCT, engl. diffusion driven current transport) LEDeihin.

Tämän diplomityön tavoite on tutkia mahdollisuutta käyttää sinkkidiffuusioseostusta galliumarsenidiin (GaAs) pohjautuvien DDCT LED -rakenteiden valmistuksessa. Tätä tarkoitusta varten työn osana kehitettiin näytteen pinnalle levitettävään piidioksidikerrokseen perustuva seostusmenetelmä. Tällä menetelmällä valmistettiin diffuusioseostettuja näytteitä. Lisäksi tehtiin näytteitä, joihin ei valmistettu diffuusioseostettuja alueita, vaan metallikontaktit höyrystettiin suoraan n-tyypin näytteen pinnalle. Näiden näytteiden tarkoitus oli tutkia vaihtoehtoista aukkojen syöttötapaa rakenteeseen. Näytteitä karakterisoitiin virtajännite-(IV), kapasitanssi–jännite- (CV) sekä Hall-mittauksilla. Lisäksi näytteitä tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM, engl. scanning electron microscope) pinnan laadun havainnoimiseksi. Valon emissiota havainnoitiin infrapunakameralla. Työn menetelmällä onnistuttiin seostamaan intrisiikkisten GaAs-näytteiden pintaan p-tyypin johtava kerros. Yritykset muuttaa n-tyypin näytteen pinta p-tyypin puolijohteeksi sen sijaan eivät onnistuneet, sillä seostustiheys oli liian matala. Vaihtoehtoisesta metallikontaktirakenteesta havaittiin valon emissiota, mikä osoittaa aukkojen injektoinnin rakenteeseen onnistuneen. Näin ollen suorat metallikontaktit voisivat olla lupaava tapa toteuttaa ensimmäiset DDCT-laitteet.