Spectroscopic Studies of III-V Semiconductor Materials for Improved Devices

Defects in semiconductor crystals and at their interfaces usually impair the properties and the performance of devices. These defects include, for example, vacancies (i.e., missing crystal atoms), interstitials (i.e., extra atoms between the host crystal sites), and impurities such as oxygen atoms. The defects can decrease (i) the rate of the radiative electron transition from the conduction band to the valence band, (ii) the amount of charge carriers, and (iii) the mobility of the electrons in the conduction band. It is a common situation that the presence of crystal defects can be readily concluded as a decrease in the luminescence intensity or in the current flow for example. However, the identification of the harmful defects is not straightforward at all because it is challenging to characterize local defects with atomic resolution and identification. Such atomic-scale knowledge is however essential to find methods for reducing the amount of defects in energy-efficient semiconductor devices. The defects formed in thin interface layers of semiconductors are particularly difficult to characterize due to their buried and amorphous structures. Characterization methods which are sensitive to defects often require well-defined samples with long range order. Photoelectron spectroscopy (PES) combined with photoluminescence (PL) or electrical measurements is a potential approach to elucidate the structure and defects of the interface. It is essential to combine the PES with complementary measurements of similar samples to relate the PES changes to changes in the interface defect density. Understanding of the nature of defects related to III-V materials is relevant to developing for example field-effect transistors which include a III-V channel, but research is still far from complete. In this thesis, PES measurements are utilized in studies of various III-V compound semiconductor materials. PES is combined with photoluminescence measurements to study the SiO2/GaAs, SiNx/GaAs and BaO/GaAs interfaces. Also the formation of novel materials InN and photoluminescent GaAs nanoparticles are studied. Finally, the formation of Ga interstitial defects in GaAsN is elucidated by combining calculational results with PES measurements.

Kidevirheet puolijohdekiteissä ja rajapinnoissa yleensä heikentävät laitteiden ominaisuuksia. Kidevirhe voi olla esimerkiksi vakanssi (puuttuva atomi), välisija-atomi (ylimääräinen atomi hilapaikkojen välissä) ja epäpuhtausatomi. Kidevirheet voivat alentaa (i) säteilytehoa, (ii) varauksen kuljettajien määrää ja (iii) elektronien nopeutta johtovyöllä. On yleistä, että kidevirheiden olemassaolo voidaan päätellä esimerkiksi heikentyneestä luminesenssistä tai virrankulusta. Ei kuitenkaan ole yksinkertaista tunnistaa minkälaatuisista virheistä on kyse, sillä on haastavaa karakterisoida paikallisia virheitä atomitarkkuudella. Sellainen tieto on kuitenkin välttämätöntä, että voidaan löytää menetelmiä kidevirheiden vähentämiseksi. Kidevirheet, joita muodostuu ohuissa rajapintakerroksissa, ovat erityisen haastavia tunnistaa, sillä ne sijatsevat näytteen pinnan alla ja ovat amorfisia. Karakterisointimenetelmät, jotka ovat hyödyllisiä kidevirheiden tutkimisessa, usein vaativat hyvin järjestäytyneen näytteen. Fotoelektronispektroskopia yhdistettynä fotoluminesenssimittaukseen tai sähköisiin mittauksiin on potentiaalinen lähestymistapa rajapinnan kidevirheiden tunnistamiseen. On välttämätöntä yhdistää fotoelektronispektroskopiamittaus muihin mittausmenetelmiin, jotta muutokset spektrissä voidaan ymmärtää paremmin. Parempi ymmärrys III-V kiteisiin liittyvistä kidevirheistä on välttämätöntä III-V kanavan sisältävien transistorien kehitystyön kannalta ja paljon on vielä opittavaa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa fotoelektronispektroskopiaa hyödynnettiin III-V yhdistepuolijohteiden tutkimisessa. Se yhdistettiin fotolumisenssimittauksiin, kun tutkittiin SiO2/GaAs, SiNx/GaAs ja BaO/GaAs rajapintoja. Myös InN:n ja valoa tuottavien GaAs nanopartikkelien valmistamista tutkittiin. Lopuksi esitellään laskennallisia ja kokeellisia tuloksia Ga välisija-atomien muodostumisesta GaAsN:ssä.