Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces

This thesis is devoted to understanding and improving technologically important III-V compound semiconductor (e.g. GaAs, InAs, and InSb) surfaces and interfaces for devices. The surfaces and interfaces of crystalline III-V materials have a crucial role in the operation of field-effect-transistors (FET) and highefficiency solar-cells, for instance. However, the surfaces are also the most defective part of the semiconductor material and it is essential to decrease the amount of harmful surface or interface defects for the next-generation III-V semiconductor device applications. Any improvement in the crystal ordering at the semiconductor surface reduces the amount of defects and increases the material homogeneity. This is becoming more and more important when the semiconductor device structures decrease to atomic-scale dimensions. Toward that target, the effects of different adsorbates (i.e., Sn, In, and O) on the III-V surface structures and properties have been investigated in this work. Furthermore, novel thin-films have been synthesized, which show beneficial properties regarding the passivation of the reactive III-V surfaces. The work comprises ultra-high-vacuum (UHV) environment for the controlled fabrication of atomically ordered III-V(100) surfaces. The surface sensitive experimental methods [low energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES)] and computational density-functionaltheory (DFT) calculations are utilized for elucidating the atomic and electronic properties of the crucial III-V surfaces. The basic research results are also transferred to actual device tests by fabricating metal-oxide-semiconductor capacitors and utilizing the interface sensitive measurement techniques [capacitance voltage (CV) profiling, and photoluminescence (PL) spectroscopy] for the characterization. This part of the thesis includes the instrumentation of home-made UHV-compatible atomic-layer-deposition (ALD) reactor for growing good quality insulator layers. The results of this thesis elucidate the atomic structures of technologically promising Sn- and In-stabilized III-V compound semiconductor surfaces. It is shown that the Sn adsorbate induces an atomic structure with (1×2)/(1×4) surface symmetry which is characterized by Sn-group III dimers. Furthermore, the stability of peculiar ζa structure is demonstrated for the GaAs(100)-In surface. The beneficial effects of these surface structures regarding the crucial III-V oxide interface are demonstrated. Namely, it is found that it is possible to passivate the III-V surface by a careful atomic-scale engineering of the III-V surface prior to the gate-dielectric deposition. The thin (1×2)/(1×4)-Sn layer is found to catalyze the removal of harmful amorphous III-V oxides. Also, novel crystalline III-V-oxide structures are synthesized and it is shown that these structures improve the device characteristics. The finding of crystalline oxide structures is exploited by solving the atomic structure of InSb(100)(1×2) and elucidating the electronic structure of oxidized InSb(100) for the first time.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

New TTCN interfaces for WCDMA base station testing

WCDMA tukiasema (Node B) on osa UMTS-järjestelmän radioverkkoa. Node B on tärkeä verkkoelementti, jonka tarkoituksena on yhdistää mobiilikäyttäjät verkkoon. Telecom –ohjelmisto (TCOM SW) on vastuussa suuresta osasta Node B:n toiminnallisuutta. TCOM SW:n testaukseen käytetään paljon resursseja, jotta ohjelmiston oikeasta toiminnasta ja laadusta voidaan varmistua. System component testing on testausvaihe, jossa järjestelmän (Node B) osa (system component, tässä diplomityössä TCOM SW) testataan ennen sen integroimista muuhun järjestelmään. Tähän tarvitaan testityökalu ja testitapausten toteutus. Node B TTCN Tester (testeri) on työkalu, jota käytetään Node B:n ohjelmiston testauksessa. Testitapaukset toteutetaan TTCN-testinotaatiota käyttäen ja testataan testerin avulla. TCOM SW:n system component –testausvaihetta varten testeriin lisättiin uudet rajapinnat, joiden avulla voidaan simuloita Node B:n ATM-ohjelmistoa sekä WPA- ja WTR-yksiköitä. Tässä diplomityössä toteuttiin TTCN testitapaukset uusille rajapinnoille. Testitapaukset tekivät TCOM SW system component –testausvaiheen riippumattomaksi Node B:n ATM-ohjelmistosta sekä WPA- ja WTR-yksiköistä. Lisäksi TCOM SW:n toiminnan testaus näissä rajapinnoissa voidaan tästä lähtien tehdä automaattisesti. Testitapauksien toiminta varmistettiin testeriä käyttäen. Tulokset olivat hyviä, uudet testitapaukset ja TTCN rajapinnat toimivat oikein lisäten testauksen tehokkuutta.

Physical layer development in third generation protocol software architecture

Diplomityön tavoitteena oli kehittää kolmannen sukupolven fyysistä protokollakerrosta matkapuhelimen ohjelmistoarkkitehtuurille. Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmät ovat aikaisempia järjestelmiä monimutkaisempia. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden sekä aikataulujen kiireellisyyden vuoksi on tullut tarve ottaa käyttöön formaaleja menetelmiä ohjelmiston kehitystyöhön. Formaalit kuvauskielet mahdollistavat tarkan, yksiselitteisen ja simuloitavissa olevan järjestelmäkuvauksen muodostamisen. Fyysinen protokollakerros tarjoaa tiedon siirtoa ylemmille protokollakerroksille. Tämän tiedonsiirron hallinta vaatii protokollakerrosten välistä viestinvälitystä. Formaaleja kuvauskieliä käyttämällä voidaan viestinvälityksen toteutusta automatisoida ja siinä tarvittavaa logiikkaa havainnollistaa. Työssä suunniteltiin, toteutettiin ja testattiin ylempien protokollakerrosten kanssa kommunikoivaa osaa fyysisestä protokollakerroksesta. Tuloksena saatiin solunvalintatoiminnallisuuden vaatiman kommunikoinnin ja tilakoneen toteutus ohjelmistoarkkitehtuurissa. Ohjelmistonkehityksen alkuvaiheiden havaittiin olevan fyysisen kerroksen suorituskyvyn kannalta merkittävässä asemassa, koska tällöin viestinvälityksen optimointi on helpointa. Formaalit kuvauskielet eivät ole sellaisenaan täysin soveltuvia tarkoin määritellyn ohjelmistoarkkitehtuurin osien kehitykseen.

Transparent Network Interfaces to Mobile Peer-to-Peer Environment

The fact that most of new Personal Data Assistant (PDA) devices and smartphones have the ability to communicate via different wireless technologies has made several new applications possible. While traditional network model is based on the idea of static hosts, mobile devices can create decentralized, self-organizing ad-hoc networks and act as peers in the network. This kind of adapting network is suitable for mobile devices which can freely join and leave the networks. Because several different wireless communication technologies are involved, flexible changing of the networking technology must be handled in order to enable seamless communication between these networks. This thesis presents a transparent network interface to mobile Peer-to-Peer environment which is named as Virtual PeerHood. Different wireless technologies and aspects of providing a seamless connectivity between these technologies are explored. The result is a middleware platform for mobile Peer-to-Peer environment, capable of handling several networking technologies.

Evaluation of GPRS Radio Link Control Layer in Weak RF Field

General Packet Radio Service (GPRS) mahdollistaa pakettimuotoisen tiedonsiirron GSM-verkossa. Se tarjoaa yhteyden pakettidataverkkoihin, nostaen samalla tiedonsiirtonopeutta radiorajapinnassa. Radioresurssit ovat varattuna vain silloin kun on jotain lähetettävää, tehden täten radioresurssien käytön paljon tehokkaammaksi. Tämä diplomityö keskittyy GPRS protokollaan ja erityisesti sen datapinossa olevaan Radio Link Control (RLC) kerrokseen. RLC-kerros huolehtii GPRS- puhelimen ja tukiaseman välisen yhteyden luotettavuudesta. Työn tavoitteena on tutkia RLC-kerroksen toiminnallisuutta ja sen luotettavuutta heikossa kentässä, sekä selvittää heikon kentän vaikutusta uudelleenlähetyksiin. Työn tuloksena saadaan arvio signaalin voimakkuuden sekä uudelleen lähetysten vaikutuksesta GPRS:n datansiirtonopeuteen. Tämä työ käsittelee myös lyhyesti GSM-järjestelmää, koska lukijan on näin helpompaa ymmärtää myös GPRS-järjestelmän vaatimia teknisiä muutoksia. Tämä diplomityö on tehty osana Nokia Matkapuhelimet Oyj:ssä käynnissä olevaa GPRS tuotekehitysprojektia. Työn tuloksia käytetään testauksen tukena ja niitä on käytetty apuna RLC-kerroksen luotettavuustestauksen suunnittelussa.

Operatiivisten järjestelmien integrointi toimintojen ohjaukseen vaneritehtaassa

Työn tavoite oli löytää malli, joka mahdollistaisi kaikkien tilaus- toimitusprosessin operatiivisten järjestelmien integroimisen keskenään siten, että niitä voidaan hyödyntää valmistuksen ohjaukseen. Vaneritehtaissa ei ole keskitettyä tietojärjestelmää, joten tavoiteasetanta edellytti vaneritehtaan tietoverkon rakentamiseen liittyvän ongelmakentän periaatteellista ratkaisua.Koska tilaus- toimitusprosessi, tuotantoa lukuunottamatta, oli kohdeyrityksessä katettu tietojärjestelmillä, loivat nämä jo olemassa olevat järjestelmät reunaehdot ratkaisulle myös tuotannon tietoverkon kehittämisessä. Työssä etsittiin ja kiinnitettiin avaimet, joilla tuote- sekä henkilötieto saadaan identifioitua keskenään integroiduissa järjestelmissä niin, että informaatioketju ei katkea siirryttäessä järjestelmästä toiseen.Työssä ratkaistiin tietoverkon liityntä tuotantolaitteisiin valvomotuotteen avulla. Liittymisratkaisuja esiteltiin neljä. Nämä mallit kattavat suurimman osan vaneritehtaassa eteen tulevista tapauksista. Näiden lisäksi päädyttiin suosittamaan erään mekaanisen metsäteollisuuden laitetoimittajan luomaa tiedonkeruu- ja tuotannonsuunnitteluohjelmistoa, joka valmiina ratkaisuna edesauttaa tietoverkon nopeaa implementointia.

Handling of TDM Connections with Cello Media Gateway

UMTS is a 3rd generation telecommunication system, which introduces new network architecture. The change in the network architecture introduces new logical network nodes and changes the role of existing nodes in the network. This architecture changes the current vertically specialized network into a horizontally layered structure. In practice, the layering means that different levels in network hierarchy are separated, and they communicate over well-specified interfaces. The Connectivity Layer, at the bottom of the UMTS network architecture, contains Media Gateways (MGW). The GSM radio access network and UMTS access network are connected to the connectivity network via a MGW. External networks, e.g. ISDN networks, are accessed via other MGWs. The user plane is transported across the connectivity network between/via MGWs. ATM network is used as the backbone in Ericsson’s UMTS core network release 2.0. The main goal of this thesis is to study how the MGW is used to bridge ATM and TDM networks. The Circuit Emulation Service (CES) for ATM is studied, as the conversion from TDM to ATM is made according it. The transportation is made using AAL2 and the issues that it has with voice traffic are studied. The implementation and usage of TDM switching service in MGW are described in detail.

Process Interfaces in an After Sales Organization

Työn tavoitteena oli selvittää Larox Oy:n, Lappeenranta, palveluorganisaation prosessit ja prosessien väliset rajapinnat. Prosesseja ja prosessien kehittämistä ja innovointia tarkasteltiin ensin kirjallisuuden perusteella. Rajapintojen selkeää esittämistä varten kehitettiin yksinkertainen metodologia mind mapping -tekniikan pohjalta. Nykyisten prosessien tila ja rajapinnat analysoitiin ja dokumentoitiin haastattelemalla Larox Oy:n työntekijöitä ja asiakkaita sekä tutustumalla prosessikuvauksiin ja muihin olennaisiin dokumentteihin. Analyysin tulosten perusteella tunnistettiin suurimmat ongelmakohdat rajapinnoissa ja pohdittiin mahdollisia ratkaisuja niihin. Pieniä prosessinkehitysaloitteita kehitettiin yhteistyössä Larox Oy:n työntekijöiden kanssa. Työn lopussa on pohdittu mahdollisia tulevaisuuden malleja Larox Oy:n palveluorganisaation toimintamalleiksi.

Älykäs viestintäjärjestelmä

TeliaSoneran SME-viestintäjärjestelmän tarkoituksena on toimia demo- ja kehitysalustana uusille viestintäpalveluille. Näitä palveluita ovat esimerkiksi tilatiedon seuraaminen ja muuttaminen sekä pikaviestien lähettäminen ja vastaanottaminen eri alustoilla, kuten matkapuhelimilla, PDA-laitteilla, PC:eillä. Järjestelmän tulee myös toimia helppona yhteysrajapintana mahdollisille tuleville tiedonsiirtoteille. Pikaviestien lähetys- ja puhelujensignalointiprotokollana järjestelmässä toimii SIP. Järjestelmän sisäisenä kommunikaatioprotokollana toimii CORBA. Työn osuus ja tämän dokumentin fokus ovat järjestelmäytimessä eli Core:ssa. Core:n avulla järjestelmän eri komponentit, kuten SIP-, WAP- ja WWW-viestinvälityspalvelimet sidotaan toisiinsa sekä tietokantaan. Ytimen tehtäviin kuuluu myös käyttäjien tilatietojen ylläpito, viestien reititys eri päätelaitteisiin, ryhmäviestintä sekä pikaviestikomentojen toiminnallisuus, eli sanalla sanoen älykkyys. Lisäksi työssä tarkastellaan ytimen käyttämiä rajapintoja ja niiden toteutustekniikoita, projektin toteutukseen käytettyjä työkaluja sekä järjestelmän tarjoamia palveluita yksityiskohtaisemmin ytimen kannalta. Lopuksi luodaan silmäys tulevaisuuden näkymiin ja järjestelmän nykytilaan sekä kokonaisuutena hyvin menneen projektin tavoitteisiin.

Development of the Simulation Environment for the Mobile Phone User Interfaces

Diplomityössä käsitellään Nokia Mobile Phonesin matkapuhelimien käyttöliittymäohjelmistojen suunnittelu-ja testausympäristön kehitystä. Ympäristöön lisättiin kaksi ohjelmistomodulia avustamaan simulointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalulla matkapuhelimen toiminta voidaan jäljittää suunnittelu- kaavioihin tilasiirtyminä, kun taas vertailusovelluksella kaavioiden väliset erot nähdään graafisesti. Kehitetyt sovellukset parantavat käyttöliittymien suunnitteluprosessia tehostaen virheiden etsintää, optimointia ja versionhallintaa. Visualisointityökalun edut ovat merkittävät, koska käyttöliittymäsovellusten toiminta on havaittavissa suunnittelu- kaavioista reaaliaikaisen simuloinnin yhteydessä. Näin virheet ovat välittömästi paikannettavissa. Lisäksi työkalua voidaan hyödyntää kaavioita optimoitaessa, jolloin sovellusten kokoja muistintarve pienenee. Graafinen vertailutyökalu tuo edun rinnakkaiseen ohjelmistosuunnitteluun. Eri versioisten suunnittelukaavioiden erot ovat nähtävissä suoraan kaaviosta manuaalisen vertailun sijaan. Molemmat työkalut otettiin onnistuneesti käyttöön NMP:llä vuoden 2001 alussa.