Piezo force microscopy and peakforce tuna measurements of III-V semiconductor nanowires

GaN, InP and GaAs nanowires were investigated for piezoelectric response. Nanowires and structures based on them can find wide applications in areas purposes such as nanogenarators, nanodrives, Solar cells and other perspective areas. Experemental measurements were carried out on AFM Bruker multimode 8 and data was handled with Nanoscope software. AFM techniques permitted not only to visualize the surface topography, but also to show distribution of piezoresponse and allowed to calculate its properties. The calculated values are in the same range as published by other authors.

MOCVD growth andproperties of GaN and AlGaN layers

In this work GaN and AlGaN layers were grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on sapphire substrates. The research was carried out at Micro and Nanoscience Laboratory of Helsinki University of Technology. The objective of this thesis is the study of MOCVD technique for the growth of GaN and AlGaN films and optimization of growth parameters in purpose to improve crystal quality of the films. The widely used two-step and the new multistep methods have been used for GaN, AlGaN MOCVD growth on c-plane sapphire. Properties of the GaN and AlGaN layers were studied using in-situ reflectance monitoring during MOCVD growth, atomic force microscopy and x-ray diffraction. Compared to the two step method, the multistep method has produced even better qualities of the GaN and AlGaN layers and significant reduction of threading dislocation density.

Positron measurements in Mg-doped GaN and development of digital Doppler broadening spectroscopy

In this work parameters of Mg-doped GaN samples were studied using positron annihilation spectroscopy and analyzed. It is shown that gallium vacancies exist in an unintentionally doped sample. Next, the sample with higher concentration of Mg and low growth temperature contains vacancy clusters. In case of low concentration of Mg the growth temperature does not affect the formation of defects. Analog electronics can be replaced by a modern digital device. While promising a high quantity of benefits, the performance of these digitizers requires thorough adjustment. A 14-bit two channel digitizer has been tested in order to achieve better performance than the one of a traditional analog setup, and the adjustment process is described. It has been shown that the digital device is unable to achieve better energy resolution, but it is quite close to the corresponding attribute of the available analog system, which had been used for measurements in Mg-doped GaN.

GaN- ja AlGaN-puolijohteiden pintaominaisuuksista ja niiden muokkauksesta

Yhdistepuolijohde galliumnitridi (GaN) on energiatehokkaiden valkoisten ledien päämateriaali. GaN on kestävä materiaali; sillä on muun muassa alhainen säteilyreagointi ja suuri jännitekestävyys, minkä vuoksi GaN soveltuu hyvin myös maanpuolustus- ja avaruussovelluksiin. Sen iso energia-aukko mahdollistaa materiaalin käytön suurteho- ja suurtaajuussovelluksissa, ja sen suuri lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuuskyky avaavat edelleen uusia mahdollisuuksia materiaalin käytölle muun muassa tehovahvistimissa mikroaaltotaajuudella. GaN:ä käytetään myös sinisten ja violettien ledien valmistuksessa. Kun yhdisteeseen lisätään alumiinia, saadaan alumiinigalliumnitridin (AlGaN) energia-aukkoa ja muita ominaisuuksia säädeltyä alumiinin määrää muuttamalla. AlGaN-pintojen ominaisuuksia on tutkittu suhteellisen vähän, vaikka niiden merkitys kasvaa jatkuvasti kehitettäessä nanoteknologian sovelluksia. AlGaN-pintojen tutkiminen on tärkeää, koska monissa sovelluksissa juuri pinnat ja rajapinnat ovat huomattavassa asemassa laitteiden toiminnan kannalta. Pinnoilla sijaitseva atomien epäjärjestys, kidevirheet ja epäpuhtausatomit sekä atomien kemiallinen sidosympäristö kiinnostavat tutkijoita. Myös erilaisten pintakäsittelyjen vaikutusten tunteminen edellä mainittuihin ominaisuuksiin on tärkeää hyvien pintojen valmistuksen saavuttamiseksi. Tämän pro gradu -tutkielman on tarkoitus tutustua III–V-puolijohteiden GaN:n ja AlGaN:n pintaominaisuuksiin ja niiden muokkaukseen materiaalifysiikan pintatieteen menetelmillä. Mg-piristeisille Al0,5Ga0,5N-näytteille tehdyt LEED- ja STM-mittaukset osoittavat, että AlGaN-pinnat tarjoavat hyvän lähtökohdan bulkille tyypillisten ominaisuuksien tutkimiseen. XPS- ja SR-PES-mittaukset osoittavat, että Mg-piristys vaikuttaa aktivoituvan noin 700 °C:n lämmityksessä, ja näytteet sisältävät aiemmissa tutkimuksissa havaitun vedyn lisäksi happea ja hiiltä, jotka vaikuttavat magnesiumin aktivoitumiseen ja siitä syntyvään aukkokonsentraatioon. LEED-, STM- ja resistiivisyysmittaukset tukevat tehtyjä XPS- ja SR-PES-mittauksia. Al0,5Ga0,5N-näytteen energia-aukossa sijaitsevien aktiivisten vastaanottajatilojen määritettiin sijaitsevan 200–600 meV valenssivyön maksimin yläpuolella riippuen jälkilämmityksen kestosta.

Studies of Eu- and Yb-induced Reconstructions on the Si(100) Surface

This thesis presents experimental studies of rare earth (RE) metal induced structures on Si(100) surfaces. Two divalent RE metal adsorbates, Eu and Yb, are investigated on nominally flat Si(100) and on vicinal, stepped Si(100) substrates. Several experimental methods have been applied, including scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), low energy electron diffraction (LEED), synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SR-PES), Auger electron spectroscopy (AES), thermal desorption spectroscopy (TDS), and work function change measurements (Δφ). Two stages can be distinguished in the initial growth of the RE/Si interface: the formation of a two-dimensional (2D) adsorbed layer at submonolayer coverage and the growth of a three-dimensional (3D) silicide phase at higher coverage. The 2D phase is studied for both adsorbates in order to discover whether they produce common reconstructions or reconstructions common to the other RE metals. For studies of the 3D phase Yb is chosen due to its ability to crystallize in a hexagonal AlB2 type lattice, which is the structure of RE silicide nanowires, therefore allowing for the possibility of the growth of one-dimensional (1D) wires. It is found that despite their similar electronic configuration, Eu and Yb do not form similar 2D reconstructions on Si(100). Instead, a wealth of 2D structures is observed and atomic models are proposed for the 2×3-type reconstructions. In addition, adsorbate induced modifications on surface morphology and orientational symmetry are observed. The formation of the Yb silicide phase follows the Stranski-Krastanov growth mode. Nanowires with the hexagonal lattice are observed on the flat Si(100) substrate, and moreover, an unexpectedly large variety of growth directions are revealed. On the vicinal substrate the growth of the silicide phase as 3D islands and wires depends drastically on the growth conditions. The conditions under which wires with high aspect ratio and single orientation parallel to the step edges can be formed are demonstrated.