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.

Structural and optical properties of high quality zinc-blende/wurtzite GaAs nanowire heterostructures

The structural and optical properties of three different kinds of GaAs nanowires with 100% zinc-blende structure and with an average of 30% and 70% wurtzite are presented. A variety of shorter and longer segments of zinc-blende or wurtzite crystal phases are observed by transmission electron microscopy in the nanowires. Sharp photoluminescence lines are observed with emission energies tuned from 1.515 eV down to 1.43 eV when the percentage of wurtzite is increased. The downward shift of the emission peaks can be understood by carrier confinement at the interfaces, in quantum wells and in random short period superlattices existent in these nanowires, assuming a staggered band offset between wurtzite and zinc-blende GaAs. The latter is confirmed also by time-resolved measurements. The extremely local nature of these optical transitions is evidenced also by cathodoluminescence measurements. Raman spectroscopy on single wires shows different strain conditions, depending on the wurtzite content which affects also the band alignments. Finally, the occurrence of the two crystallographic phases is discussed in thermodynamic terms.

Efeitos da adição de átomos de Mn na rede do GaN via métodos de estrutura eletrônica

A computational method to simulate the changes in the electronic structure of Ga1-xMn xN was performed in order to improve the understanding of the indirect contribution of Mn atoms. This periodic quantum-mechanical method is based on density functional theory at B3LYP level. The electronic structures are compared with experimental data of the absorption edge of the GaMnN. It was observed that the indirect influence of Mn through the structural parameters can account for the main part of the band gap variation for materials in the diluted regime (x<0.08), and is still significant for higher compositions (x~0.18).

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.

Dynamique de recombinaison dans les puits quantiques InGaN/GaN

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation.

Dynamique de recombinaison radiative dans les nanofils InGaN/GaN : étude détaillée de la photoluminescence

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

HRTEM assessment of Wurtzite and Zinc-Blende phases in GaAs nanowires for optoelectronic devices

Màster en Nanociència i Nanotecnologia. Curs 2007-2008. Directors: Francesca Peiró i Martínez and Jordi Arbiol i Cobos

Large-Size AlGaN/GaN HEMT Large-Signal Electrothermal Characterization and Modeling for Wireless Digital Communications

The rapid growth in high data rate communication systems has introduced new high spectral efficient modulation techniques and standards such as LTE-A (long term evolution-advanced) for 4G (4th generation) systems. These techniques have provided a broader bandwidth but introduced high peak-to-average power ratio (PAR) problem at the high power amplifier (HPA) level of the communication system base transceiver station (BTS). To avoid spectral spreading due to high PAR, stringent requirement on linearity is needed which brings the HPA to operate at large back-off power at the expense of power efficiency. Consequently, high power devices are fundamental in HPAs for high linearity and efficiency. Recent development in wide bandgap power devices, in particular AlGaN/GaN HEMT, has offered higher power level with superior linearity-efficiency trade-off in microwaves communication. For cost-effective HPA design to production cycle, rigorous computer aided design (CAD) AlGaN/GaN HEMT models are essential to reflect real response with increasing power level and channel temperature. Therefore, large-size AlGaN/GaN HEMT large-signal electrothermal modeling procedure is proposed. The HEMT structure analysis, characterization, data processing, model extraction and model implementation phases have been covered in this thesis including trapping and self-heating dispersion accounting for nonlinear drain current collapse. The small-signal model is extracted using the 22-element modeling procedure developed in our department. The intrinsic large-signal model is deeply investigated in conjunction with linearity prediction. The accuracy of the nonlinear drain current has been enhanced through several issues such as trapping and self-heating characterization. Also, the HEMT structure thermal profile has been investigated and corresponding thermal resistance has been extracted through thermal simulation and chuck-controlled temperature pulsed I(V) and static DC measurements. Higher-order equivalent thermal model is extracted and implemented in the HEMT large-signal model to accurately estimate instantaneous channel temperature. Moreover, trapping and self-heating transients has been characterized through transient measurements. The obtained time constants are represented by equivalent sub-circuits and integrated in the nonlinear drain current implementation to account for complex communication signals dynamic prediction. The obtained verification of this table-based large-size large-signal electrothermal model implementation has illustrated high accuracy in terms of output power, gain, efficiency and nonlinearity prediction with respect to standard large-signal test signals.

Effect of Auger recombination and leakage on the droop in InGaN/GaN quantum well LEDs

We investigate the effect of the epitaxial structure and the acceptor doping profile on the efficiency droop in InGaN/GaN LEDs by the physics based simulation of experimental internal quantum efficiency (IQE) characteristics. The device geometry is an integral part of our simulation approach. We demonstrate that even for single quantum well LEDs the droop depends critically on the acceptor doping profile. The Auger recombination was found to increase stronger than with the third power of the carrier density and has been found to dominate the droop in the roll over zone of the IQE. The fitted Auger coefficients are in the range of the values predicted by atomistic simulations.

Ermittlung der Verlustleistungen in einem Synchron-Tiefsetzsteller mit Niedervolt-GaN-HFETs

Wenn sich in einem wichtigen Bereich der Elektrotechnik ein neues Halbleitermaterial zu etablieren beginnt, weckt dies einerseits Erwartungen der Wirtschaft und Industrie, andererseits kann es eine erhebliche Herausforderung für die Hersteller bedeuten. Nachdem Gallium-Nitrid erstmalig vor 20 Jahren als Transistor verwendet wurde und seit über einer Dekade serienmäßig in der Hochfrequenztechnik eingesetzt wird, erobert es nun die Leistungselektronik. Die ausschlaggebenden Kriterien sind hier die Verwendbarkeit bei höheren Betriebstemperaturen, die Energieeffizienz und die Reduzierung von Größe und Gewicht durch den Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen. Die vorliegende Arbeit basiert auf der Motivation zunächst einen möglichst breit angelegten Überblick des ständig wachsenden Angebotsspektrums zu geben, das mittlerweile durch die vielfältigen Varianten der verfügbaren Transistoren an Übersichtlichkeit etwas verloren hat. Nach einer ausführlichen Erläuterung der physikalischen und elektrischen Eigenschaften, werden die jeweiligen Typen in überschaubaren Abschnitten beschrieben und im Anschluss tabellarisch zusammengefasst. Die elektrischen Eigenschaften der hier ausgewählten EPC 2010 eGaN-HFETs (200 V Spannungsklasse) werden eingehend diskutiert. Das Schaltverhalten der eGaN-HFETs in einem Synchron-Tiefsetzsteller wird untersucht und modelliert. Eine Analyse aller in den GaN-FETs entstehenden Verlustleistungen wird durchgeführt. Zur Abschätzung der dynamischen Verlustleistungen wird eine analytische Methode umgesetzt und weiter entwickelt. Um die Vorteile der erhöhten Schaltfrequenzen nutzen zu können, erfolgt eine sehr ausführliche Betrachtung der notwendigen magnetischen Komponenten, deren Auswahl- und Verwendungskriterien im Detail untersucht, evaluiert und aufgegliedert werden. Diese werden im praktischen Teil ausgiebig in Verbindung mit den GaN-Transistoren ausgesucht und messtechnisch bewertet. Theoretische Betrachtungen hinsichtlich der Grenzen, die magnetische Bauelemente schnell schaltenden Halbleitern auferlegen, werden durchgeführt. Da die untersuchten Niedervolt-GaN-HFETs quasi kein Gehäuse haben, ist eine korrekte Strommessung nicht realisierbar. Am praktischen Beispiel eines Synchron-Tiefsetzstellers werden zwei experimentelle Methoden entwickelt, mit deren Hilfe die Verlustleistungen in den EPC 2010 eGaN-HFETs ermittelt werden. Anschließend wird das Verbesserungspotential der GaN-Leistungstransistoren erläutert sowie deren Anwendungsbereiche diskutiert.

Characterization of ZnO Nanorods Grown on GaN Using Aqueous Solution Method

Uniformly distributed ZnO nanorods with diameter 70-100 nm and 1-2μm long have been successfully grown at low temperatures on GaN by using the inexpensive aqueous solution method. The formation of the ZnO nanorods and the growth parameters are controlled by reactant concentration, temperature and pH. No catalyst is required. The XRD studies show that the ZnO nanorods are single crystals and that they grow along the c axis of the crystal plane. The room temperature photoluminescence measurements have shown ultraviolet peaks at 388nm with high intensity, which are comparable to those found in high quality ZnO films. The mechanism of the nanorod growth in the aqueous solution is proposed. The dependence of the ZnO nanorods on the growth parameters was also investigated. While changing the growth temperature from 60°C to 150°C, the morphology of the ZnO nanorods changed from sharp tip (needle shape) to flat tip (rod shape). These kinds of structure are useful in laser and field emission application.

The Effect of Periodic Silane Burst on the Properties of GaN on Si (111) Substrates

The periodic silane burst technique was employed during metalorganic chemical vapor deposition of epitaxial GaN on AlN buffer layers grown on Si (111). Periodic silicon delta doping during growth of both the AlN and GaN layers led to growth of GaN films with decreased tensile stresses and decreased threading dislocation densities, as well as films with improved quality as indicated by x-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, atomic force microscopy, and transmission electron microscopy. The possible mechanism of the reduction of tensile stress and the dislocation density is discussed in the paper.

High Density Single Crystalline GaN Nanodot Arrays Fabricated Using Template-Assisted Selective Growth

High density, uniform GaN nanodot arrays with controllable size have been synthesized by using template-assisted selective growth. The GaN nanodots with average diameter 40nm, 80nm and 120nm were selectively grown by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) on a nano-patterned SiO2/GaN template. The nanoporous SiO2 on GaN surface was created by inductively coupled plasma etching (ICP) using anodic aluminum oxide (AAO) template as a mask. This selective regrowth results in highly crystalline GaN nanodots confirmed by high resolution transmission electron microscopy. The narrow size distribution and uniform spatial position of the nanoscale dots offer potential advantages over self-assembled dots grown by the Stranski–Krastanow mode.