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.

Transient current technique simulation of semiconductor detectors

Nowadays advanced simulation technologies of semiconductor devices occupies an important place in microelectronics production process. Simulation helps to understand devices internal processes physics, detect new effects and find directions for optimization. Computer calculation reduces manufacturing costs and time. Modern simulation suits such as Silcaco TCAD allow simulating not only individual semiconductor structures, but also these structures in the circuit. For that purpose TCAD include MixedMode tool. That tool can simulate circuits using compact circuit models including semiconductor structures with their physical models. In this work, MixedMode is used for simulating transient current technique setup, which include detector and supporting electrical circuit. This technique was developed by RD39 collaboration project for investigation radiation detectors radiation hard properties.

Switching components for medium voltage drives

Nowadays power drives are the essential part almost of all technological processes. Improvement of efficiency and reduction of losses require development of semiconductor switches. It has a particular meaning for the constantly growing market of renewable sources, especially for wind turbines, which demand more powerful semiconductor devices for control with growth of power. Also at present semiconductor switches are the key component in energy transmission, optimization of generation and network connection. The aim of this thesis is to make a survey of contemporary semiconductor components, showing difference in structures, advantages, disadvantages and most suitable applications. There is topical information about voltage, frequency and current limits of different switches. Study tries to compare dimensions and price of different components. Main manufacturers of semiconductor components are presented with the review of devices produced by them, and a conclusion about their availability was made. IGBT is selected as a main component in this study, because nowadays it is the most attractive component for usage in power drives, especially at the low levels of medium voltage. History of development of IGBT structure, static and dynamic characteristics are considered. Thesis tells about assemblies and connection of components and problems which can appear. One of key questions about semiconductor materials and their future development was considered. For the purpose of comparison strong and weak sides of different switches, calculation of losses of IGBT and its basic competitor – IGCT is presented. This master’s thesis makes an effort to answer the question if there are at present possibilities of accurate selection of switches for electrical drives of different rates of power and looks at future possible ways of development of semiconductor market.

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.

GTK+ toolkit on mobile Linux devices

Linux -käyttöjärjestelmä on laajasti käytössä palvelin- ja työpöytätietokoneissa. Linux on lisäämässä suosiotaan kuitenkin myös sulautetuissa laitteissa, kuten PDA:issa, kännyköissä sekä erilaisissateollisuusjärjestelmissä. Näytön koko, suorituskyky ja käytettävyys asettavat omia erityisiä tarpeitaan laitteiden graafiselle käyttöliittymälle. Linux -käyttöjärjestelmälle on olemassa useita käyttöliittymäkirjastoja, joista GTK+ on yksi yleisimmin käytetyistä. Tämä diplomityö esittelee sulautetun Linux -käyttöjärjestelmän ja GTK+ käyttöliittymäkirjaston, selvittäen miten hyvin ne soveltuvat mobiileihin päätelaitteisiin. Yksi suurimmista esteistä työpöytäkäyttöön suunnattujen teknologioiden, kuten GTK+, muokkaamisessa mobiileihin päätelaitteisiin on suorituskyky. Osana tätä työtä kehitettiin GtkPerf -niminen työkalu, jolla GTK+:n suorituskykyä eri alustoilla pystytään helposti mittaamaan ja havaitsemaan mahdollisia pullonkauloja. Tämän työn johtopäätöksenä on, että pienillä muokkailuilla ja optimoinneilla GTK+ soveltuu myös mobiileihin päätelaitteisiin. Ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva GTK+ -pohjainen päätelaite, Nokia 770 Internet Tablet, on tästä osoituksena.

Suitability of Ultra Wideband for Mobile Devices

Mobiililaitteet ovat kehittyneet merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Ne eivät enää ole pelkästään puhelimia tai kämmentietokoneita, vaan multimediatietokoneita, jotka pystyvät tuottamaan korkealaatuisia elämyksiä käyttäjälleen.Sisällön laadun paraneminen johtaa väistämättä myös siirrettävän tietomäärän kasvamiseen. Siksi uusia, nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä on otettava käyttöön. Ultra Wideband (UWB) on uusi radioaaltotekniikka, jokamahdollistaa korkeat tiedonsiirtonopeudet lyhyillä etäisyyksillä. Tekniikka operoi erittäin leveällä 3.1 - 10.6 gigahertsin taajuuskaistalla.UWB on suunnattu nopeaan, langattomaan tiedonsiirtoon personal area networkin (PAN) laitteiden välillä. Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida UWBn soveltuvuutta mobiililaitteisiin. Arviointi tehdään teoreettiselta pohjalta, sillä UWBtä ei vielä ole implementoitu kaupallisiin laitteisiin. Ensin esitellään UWBn tekniikka ja ominaisuudet, jonka jälkeen sen soveltuvuutta arvioidaan esimerkkikäyttötapausten valossa. Esimerkkikäyttötapauksiksi on valittu kolme tyypillistä mutta erilaista toimintoa, jotka mahdollisimman hyvin kuvaavat mobiililaitteiden käyttöä.

The synchronization of personal information between mobile devices and online services by using SyncML

Monet henkilökohtaiset mobiililaitteet tarjoavat mahdollisuuden tallentaa henkilötietoja ja mahdollisuuden lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntämiseen. Vastaavasti henkilötietoja käyttävien tai vaativien verkkopalveluiden määrä on kasvussa. Mobiililaitteisiin tallennetut henkilötiedot tarjoavat potentiaalisen keinon välttää samojen henkilötietojen toistuva käsinsyöttö erilaisiin verkkopalveluihin ja keskitettyyn ajantasallapitoon. Tässä työssä käydään läpi ratkaisumalli henkilökohtaisen mobiililaitteen ja verkkopalveluiden välillä tapahtuvaan henkilötietojen siirtoon ja synkronointiin. Malli pohjautuu selainlaajennukseen, joka voi pyytää sekä selaimessa auki olevalta verkkopalvelun sivulta että mobiililta päätelaitteelta senhetkiset henkilötiedot ja synkronoida ne. Jo olemassaolevia henkilötietojen hallintaa helpottavia ratkaisuja käydään läpi arvioiden käyttökelpoisuutta tämänkaltaisiin tarpeisiin. Ratkaisumallin kannalta olennaiset tekniikat ja standardit, erityisesti Bluetooth ja SyncML, esitellään. Ratkaisumallin arkkitehtuuri käydään korkealla tasolla läpi ja esitellään toteutuksen yksityiskohtia. Tuloksena on periaatteeltaan kelvollinen henkilökohtaisten tietojen synkronointijärjestelmä, jonka toteutusta nykyisten mobiilien päätelaitteiden toiminnallisuus jossain määrin hankaloittaa.

ADSL-linjan fyysisen kerroksen testauksen automatisointi

ADSL (Asymmetrical Digital Subsciber Line) on puhelinkaapelia siirtotienä käyttävä nopea Internet-liityntäteknologia, joka on yleistynyt viime vuosina kuluttajamarkkinoilla. Analoginen puhelinverkko on alun perin tarkoitettu puheen siirtoon 0-4kHz:n äänitaajuuskanavalla, mikä aiheuttaa rajoitteita datasiirtoon ylemmillä taajuuksilla. Puhelinverkkojen rakenne vaihtelee alueittain sisältäen erilaisia datasiirtoa häiritseviä tekijöitä. Tämän vuoksi ADSL-päätelaitteilta vaaditaan sopeutumiskykyä vaativiinkin olosuhteisiin. Nykyiset ADSL-standardit eivät vaadi päätelaitteilta riittävää suorituskykyä, jotta luotettava tiedonsiirto onnistuisi myös huonoissa verkko-olosuhteissa. Epäkohdan korjaamiseksi DSL Forum on kehittänyt yhdessä laitevalmistajien, tietoliikenneoperaattoreiden ja komponenttivalmistajien kanssa ADSL-päätelaitteiden yhteensopivuustestaukseen testipaketin nimeltä TR-048. Se on kattava joukko tarkkaan kuvattuja testejä, joissa keskitytään enimmäkseen fyysisen kerroksen testaamiseen. TR-048:aa ei vaadita vielä nykyisissä ADSL-standardeissa, mutta yksityiset laboratoriot ja laitetoimittajat ovat vähitellen ottamassa sitä käyttöön. Tämän työn keskeisenä tavoittena oli tehdä sovellus, jolla automatisoitiin suurin osa TR-048:n sisältämien ADSL-linjan fyysisen kerroksen testeistä. Valmiilla sovelluksella ajetun testikierroksen perusteella arvioitiin sovelluksesta saatua hyötyä ja tuotekehitysvaiheessa olevan Nokia D500 tilaajasolmun suorituskykyä. Työn teoriaosassa esitellään ADSL-teknologiaa ja ADSL-lähetin-vastaanottimen loogista toimintaa.

Adaptive Protocol Stacks for Mobile Devices

Tulevaisuudessa siirrettävät laitteet, kuten matkapuhelimet ja kämmenmikrot, pystyvät muodostamaan verkkoyhteyden käyttäen erilaisia yhteysmenetelmiä eri tilanteissa. Yhteysmenetelmillä on toisistaan poikkeavat viestintäominaisuudet mm. latenssin, kaistanleveyden, virhemäärän yms. suhteen. Langattomille yhteysmenetelmille on myös ominaista tietoliikenneyhteyden ominaisuuksien voimakas muuttuminen ympäristön suhteen. Parhaan suorituskyvyn ja käytettävyyden saavuttamiseksi, on siirrettävän laitteen pystyttävä mukautumaan käytettyyn viestintämenetelmään ja viestintäympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Olennainen osa tietoliikenteessä ovat protokollapinot, jotka mahdollistavat tietoliikenneyhteyden järjestelmien välillä tarjoten verkkopalveluita päätelaitteen käyttäjäsovelluksille. Jotta protokollapinot pystyisivät mukautumaan tietyn viestintäympäristön ominaisuuksiin, on protokollapinon käyttäytymistä pystyttävä muuttamaan ajonaikaisesti. Perinteisesti protokollapinot ovat kuitenkin rakennettu muuttumattomiksi niin, että mukautuminen tässä laajuudessa on erittäin vaikeaa toteuttaa, ellei jopa mahdotonta. Tämä diplomityö käsittelee mukautuvien protokollapinojen rakentamista käyttäen komponenttipohjaista ohjelmistokehystä joka mahdollistaa protokollapinojen ajonaikaisen muuttamisen. Toteuttamalla esimerkkijärjestelmän, ja mittaamalla sen suorituskykyä vaihtelevassa tietoliikenneympäristössä, osoitamme, että mukautuvat protokollapinot ovat mahdollisia rakentaa ja ne tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti tulevaisuuden siirrettävissä laitteissa.

Context-based services for mobile devices

The subject of this master’s thesis was developing a context-based reminder service for mobile devices. Possible sources of context were identified and analyzed. One such source is geographical location obtained via a GPS receiver. These receivers consume a lot of power and techniques and algorithms for reducing power consumptions were proposed and analyzed. The service was implemented as an application on a series 60 mobile phone. The application requirements, user interface and architecture are presented. The end-user experiences are discussed and possible future development and research areas are presented.

Presenting HTML Content Using Mobile Devices

Tämä diplomityö käsittelee HTML-sivujen näyttämistä käytettävästi mobiililla päätelaitteella. Tutkimuskohteena on sivujen käytettävyyden parantaminen mobiilissa internetselaimessa. Diplomityössä esitetään havaittuja käytettävyysongelmia ja pohditaan ratkaisuja näihin selaimessa. Teoriataustaa tarkastellaan useista käytettävyyden näkökulmista, käyttäen apuna tutkimuksia ja teorioita. Tutkimuksiin ja teorioihin perustuen suunnitellaan selaimessa tapahtuvat muutokset, jotka mahdollistaisivat sivujen hyvän käytettävyyden. Tutkimusainestoa kerättiin aikaisimmista käytettävyystutkimuksista, suosituksista sekä tieteellisistä analyyseistä. Tarkastelun kohteena olivat myös nykyisten mobiilien internetselainten käyttämät ratkaisut havaittuihin käytettävyysongelmiin. Työn tuloksena esitetään mobiiliin selaimeen toteutettavat sääntöjoukot, jotka muovaisivat HTML-sivut käytettäväksi päätelaitteelle. Ratkaisuna annetaan ehdotuksia sisällön esittämistavalle ja pohditaan näissä syntyneitä ongelmia. Tulevaisuudessa kun sääntöjoukko on toteutettu selaimeen sillä suoritetaan käytettävyystestaukset.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

Positioning Wireless Mobile Terminal Devices

Positioning techniques enable the positioning of mobile transportation vehicles. Location information can be used in transport planning as well as in vehicles. Information can also be transferred between vehicles and transport planning. For example, pickup and delivery information and route instructions can be exchanged wirelessly. In this thesis, techniques suitable for positioning vehicles are studied, as well as techniques enabling wireless connectivity of the vehicles to the transport planning system. A prototype based on one positioning and connectivity technique is implemented. As a result, a system capable of positioning vehicles is created. The vehicles can be located almost in real-time. The accuracy in positioning is sufficient to visualise the locations on a good quality 1:20000 city map.

Remote File Access with Wireless Symbian Devices

Erilaisten langattomien päätelaitteiden kuten älypuhelimien ja kommunikaattoreiden määrän lisääntyessä myös kiinnostus liikkuville käyttäjille lisäarvoa tuottavia verkkopalveluita ja -sovelluksia kohtaan kasvaa. Työn tarkoituksena oli tutkia kuinka langattomat Symbianin käyttöjärjestelmää käyttävät laitteet voivat hyödyntää verkkotiedostoja. Työssä arvioitiin eri tiedostojenjakoprotokollien käytettävyyttä langattomissa verkoissa, määriteltiin etätiedostoyhteyden Symbian-alustalle tarjoavan ohjelmiston vaatimukset ja tehtiin alustava suunnitelma ohjelmiston toteuttamiseksi. Läpinäkyvä tiedostojen etäkäyttö vaatii tiedostojenjakoprotokollan toteuttamista sovelluksille yhteisen tiedostosaantimekanismin alle. Tiedostojen etäkäyttö voi perustua eri tiedostojenjakoprotokolliin kuten IP:n päällä toimiviin NFS:ään tai CIFS:ään. Langattomuuden aiheuttamat rajoitukset laitteissa ja tiedonsiirrossa saattavat vähentää sovellutuksen käytettävyyttä ja on huomioitava ohjelmistoa toteutettaessa. Symbian-alusta perustuu asiakas-palvelin arkkitehtuuriin, jossa asiakassovellukset käyttävät tiedostopalveluita yhteisen tiedostopalvelimen kautta. Etätiedostoyhteys on mahdollista toteuttaa liittämällä uusi kirjastomoduuli tiedostopalvelimeen. Protokollan toteuttavan moduulin on muunnettava protokollan viestit tiedostopalvelimelle sopiviksi huolehtien samalla muista samanaikaisista tiedostotapahtumista. Suunniteltu moduulin arkkitehtuuri mahdollistaa eri protokollavaihtoehtojen käyttämisen etätiedostoyhteyden toteuttamiseen.

Profitability Analysis of Service Contracts of Devices

The objective of this study has been to make a profitability analysis of service contracts for a company in Finland. The purpose has been to see how profitable the contracts are and if there possibly were some things to change or develop in the contracts. Allocation rules of cost accounting, service costs both profitability and management of services have been considered in the theory part. All the service contracts that have been valid at least three last accounting periods have been included in the study. All direct costs relating to the contracts have been collected and indirect costs have been assigned to the contracts. Profitability of the contracts has been calculated over three years. Results have been analyzed according to the key figures the company is controlling. Some suggestions for developments have been given at the end of the study. The study has shown differences between the contracts. Part of them has turned out to be like the profitability aims of the company and part less profitable. The study has shown that many factors have an effect on the profitability of the service contracts.