Modeling and simulation of bulk gallium nitride power semiconductor devices

Bulk gallium nitride (GaN) power semiconductor devices are gaining significant interest in recent years, creating the need for technology computer aided design (TCAD) simulation to accurately model and optimize these devices. This paper comprehensively reviews and compares different GaN physical models and model parameters in the literature, and discusses the appropriate selection of these models and parameters for TCAD simulation. 2-D drift-diffusion semi-classical simulation is carried out for 2.6 kV and 3.7 kV bulk GaN vertical PN diodes. The simulated forward current-voltage and reverse breakdown characteristics are in good agreement with the measurement data even over a wide temperature range.

Exceptional activity of gallium(III) chloride and chlorogallate(III) ionic liquids for Baeyer–Villiger oxidation

Baeyer–Villiger oxidation of cyclic ketones, using H2O2 as the oxidising agent, was systematically studied using a range of metal chlorides in different solvents, and in neat chlorogallate(III) ionic liquids. The extremely high activity of GaCl3 in promoting oxidation with H2O2, irrespective of solvent, was reported for the first time. The activity of all other metal chlorides was strongly solvent-dependent. In particular, AlCl3 was very active in a protic solvent (ethanol), and tin chlorides, SnCl4 and SnCl2, were active in aprotic solvents (toluene and dioxane). In order to eliminate the need for volatile organic solvent, a Lewis acidic chlorogallate(III) ionic liquid was used in the place of GaCl3, which afforded typically 89–94% yields of lactones in 1–120 min, at ambient conditions. Raman and 71Ga NMR spectroscopic studies suggest that the active species, in both GaCl3 and chlorogallate(III) ionic liquid systems, are chlorohydroxygallate(III) anions, [GaCl3OH]−, which are the products of partial hydrolysis of GaCl3 and chlorogallate(III) anions; therefore, the presence of water is crucial.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Investigation of the Nucleation and Growth of Colloidal Indium Phosphide: from Molecular Precursors to Semiconductor Nanocrystals through In37P20(O2CR)51 as a Magic-Size Intermediate

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

The phase diagram of the mercury-indium alloy system

The mercury-indium phase diagram has been investigated over the whole composition range from -78°C to the melting point of indium, using thermal analysis, X-ray and superconductivity techniques. This is believed to be the first application of superconductivity measurements to phase diagram investigations. A compound, HgIn, of very limited range of composition, melts congruently at -19.3°C; and gives rise to eutectics at 61.5 at. % indium and -31°C, and at 34.7% indium and -37.2°C. The β phase extends from 2.5 to 19.1 % indium and has a maximum melting point of -14.2°C at 14.2% indium. It forms a peritectic or eutectic at a temperature indistinguishable from the melting point of pure mercury with a solid solution in mercury containing some, but less than 0.3%, indium. A transition from face-centred tetragonal to face-centred cubic in the indium-rich solid solutions at about 93% indium gives rise to a peritectic at 108°C. The solubility of mercury in this face-centred cubic phase falls from about 22% at-31°C to 13% at -78°C. © 1963.

Growth and characterization of III-V compound semiconductor nanostructures by metalorganic chemical vapor deposition

Planar <110> GaAs nanowires and quantum dots grown by atmospheric MOCVD have been introduced to non-standard growth conditions such as incorporating Zn and growing them on free-standing suspended films and on 10° off-cut substrates. Zn doped nanowires exhibited periodic notching along the axis of the wire that is dependent on Zn/Ga gas phase molar ratios. Planar nanowires grown on suspended thin films give insight into the mobility of the seed particle and change in growth direction. Nanowires that were grown on the off-cut sample exhibit anti-parallel growth direction changes. Quantum dots are grown on suspended thin films and show preferential growth at certain temperatures. Envisioned nanowire applications include twin-plane superlattices, axial pn-junctions, nanowire lasers, and the modulation of nanowire growth direction against an impeding barrier and varying substrate conditions.

Symmetry reduction due to gallium substitution in the garnet Li6.43(2)Ga0.52(3)La2.67(4)Zr2O12

Single-crystal structure refinements on lithium lanthanum zirconate (LLZO; Li7La3Zr2O12) substituted with gallium were successfully carried out in the cubic symmetry space group I [Formula: see text]3d. Gallium was found on two lithium sites as well as on the lanthanum position. Due to the structural distortion of the resulting Li6.43(2)Ga0.52(3)La2.67(4)Zr2O12 (Ga-LLZO) single crystals, a reduction of the LLZO cubic garnet symmetry from Ia[Formula: see text] d to I [Formula: see text]3d was necessary, which could hardly be analysed from X-ray powder diffraction data.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Indium-Mediated Cleavage of the Trityl Group from Protected 1H-Tetrazoles

On treatment with indium metal in MeOH–THF, trityl groups undergo reductive removal from 1H-protected tetrazoles (including aliphatic, aromatic, and heteroaromatic substituents), affording the corresponding free tetrazoles in excellent yields, without any decomposition of the tetrazole ring or reduction of any other group.

Synthesis of indium nanoparticles at ambient temperature; simultaneous phase transfer and ripening

The synthesis of size-monodispersed indium nanoparticles via an innovative simultaneous phase transfer and ripening method is reported. The formation of nanoparticles occurs in a one-step process instead of well-known two-step phase transfer approaches. The synthesis involves the reduction of InCl3 with LiBH4 at ambient temperature and although the reduction occurs at room temperature, fine indium nanoparticles, with a mean diameter of 6.4 ± 0.4 nm, were obtained directly in non-polar n-dodecane. The direct synthesis of indium nanoparticles in n-dodecane facilitates their fast formation and enhances their size-monodispersity. In addition, the nanoparticles were highly stable for more than 2 months. The nanoparticles were characterised by dynamic light scattering (DLS), small angle X-ray scattering (SAXS), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy to determine their morphology, structure and phase purity.

Synthesis and electronic properties of luminescent silicon nanocrystals and copper indium sulphide quantum dots

In the last decades, nanomaterials, and in particular semiconducting nanoparticles (or quantum dots), have gained increasing attention due to their controllable optical properties and potential applications. Silicon nanoparticles (also called silicon nanocrystals, SiNCs) have been extensively studied in the last years, due to their physical and chemical properties which render them a valid alternative to conventional quantum dots. During my PhD studies I have planned new synthetical routes to obtain SiNCs functionalised with molecules which could ameliorate the properties of the nanoparticle. However, this was certainly challenging, because SiNCs are very susceptible to many reagents and conditions that are often used in organic synthesis. They can be irreversibly quenched in the presence of alkalis, they can be damaged in the presence of oxidants, they can modify their optical properties in the presence of many nitrogen-containing compounds, metal complexes or simple organic molecules. If their surface is not well-passivated, the oxygen can introduce defect states, or they can aggregate and precipitate in several solvents. Therefore, I was able to functionalise SiNCs with different ligands: chromophores, amines, carboxylic acids, poly(ethylene)glycol, even ameliorating functionalisation strategies that already existed. This thesis will collect the experimental procedures used to synthesize silicon nanocrystals, the strategies adopted to functionalise effectively the nanoparticle with different types of organic molecules, and the characterisation of their surface, physical properties and luminescence (mostly photogenerated, but also electrochemigenerated). I also spent a period of 7 months in Leeds (UK), where I managed to learn how to synthesize other cadmium-free quantum dots made of copper, indium and sulphur (CIS QDs). During my last year of PhD, I focused on their functionalisation by ligand exchange techniques, yielding the first example of light-harvesting antenna based on those quantum dots. Part of this thesis is dedicated to them.