Abstrakti
Germaniumilla (Ge) on useita merkittäviä etuja piihin verrattuna, kuten varauksenkuljettajien suurempi liikkuvuus ja kapeampi kielletty energiaväli, mikä tekee siitä houkuttelevan substraattimateriaalin erilaisiin optoelektronisiin sovelluksiin. Niiden hyödyntäminen on kuitenkin jäänyt vähäiseksi johtuen germaniumin pinnan haasteellisista optisista ja elektronisista ominaisuuksista, joista merkittävimmät ovat heijastava peilipinta ja huomattava pintarekombinaatio.
Aluksi tässä väitöskirjassa tutkitaan pintaheijastuksien vähentämistä kehittämällä nanorakenteita. Nanorakenteet mahdollistavat minimaalisen heijastuvuuden laajalla spektrialueella, jolloin tuloksena on täysin musta Ge. Työssä kehitetään kaksi erilaista valmistusprosessia mustalle Ge:lle, toinen induktiivisesti kytketyn plasman reaktiivisen ionisyövytyksen (ICP-RIE) avulla ja toinen metallikatalysoidun syövytyksen (MACE) avulla. ICP-RIE:n osoitetaan kykenevän tuottamaan mustaa Ge:tä, jolla heijastuvuus on alle 1% 400-1600 nm aallonpituusalueella. Vastaavasti MACE-käsitellyn pinnan keskimääräinen heijastuvuus pysyy jonkin verran korkeampana noin 9% keskimääräisellä heijastuksella. Siitä huolimatta, MACE-prosessi tarjoaa joitakin selkeitä etuja ICP-RIE:hen verrattuna, kuten alhaisemmat prosessointikustannukset, mikä tekee siitä houkuttelevan.
Työn toinen pääteema on vähentää pinnan rekombinaatiota kehittämällä atomikerroskasvatettu (ALD) alumiinioksidipohjainen (Al2O3) passivointiprosessi. ALD Al2O3 tarjoaa tehokkaan passi-voinnin kiillotetuille Ge-pinnoille, tuloksena parhaimmillaan vain 6,55 cm/s suuruinen pintarekombinaationopeus. Tämä saavutetaan optimoiduilla prosessiparametreilla, kuten suolahappo (HCl) esikäsittelyllä ja pinnoitetun kalvon jälkilämmittämisellä 400 °C lämpötilassa 30 minuuttia. Tarkemman karakterisoinnin jälkeen havaitaan, että alhainen SRV perustuu suureen pintavarauksen määrään, eikä niinkään pinnan tehokkaaseen kemialliseen passivointiin. Kemiallisen passivoinnin parantamiseksi kehitetään ALD-esikäsittelyksi tyhjiössä suoritettava lämpökäsittely, jonka seurauksena kemiallinen passivointi paranee mutta samalla käsittely vähentää pintavarauksen määrää ja lopulta passivoinnin tehokkuus pysyy ennallaan.
Työn lopullinen tavoite on yhdistää kehitetyt nanokuviointi- ja pintapassivointiprosessit ja siten samanaikaisesti pienentää sekä heijastus- että rekombinaatiohäviöitä. ICP-RIE:llä valmistetussa mustassa Ge:ssä havaitaan kemikaalijäämiä, jotka heikentävät pinnan passivointia. Syklisellä suolahappo ja vetyperoksidipohjaisella puhdistusprosessilla jäämät saadaan poistettua mutta samalla pinnan morfologia muuttuu ja heijastuvuus kasvaa. Täten heijastuvuuden ja pinnan passivoinnin välillä on tehtävä kompromissi. Esimerkiksi ilman heijastuvuuden liialllista heikkenemistä (< 2%), saadaan jo merkittävä parannus passivointiin (SRV ~ 30 cm/s). MACE:n tapauksessa pinnan tehokas passivointi vaikuttaa olevan monimutkaisempaa. Tässä työssä saavutetut tulokset antavat hyvän pohjan korkean hyötysuhteen optoelektronisten laitteiden suunnitteluun.
Julkaisun otsikon käännös | Optisten ja sähköisten häviöiden minimointi germaniumissa käyttäen pinnan nanokuviointia ja pintapassivointia |
---|---|
Alkuperäiskieli | Englanti |
Pätevyys | Tohtorintutkinto |
Myöntävä instituutio |
|
Valvoja/neuvonantaja |
|
Kustantaja | |
Painoksen ISBN | 978-952-64-1677-9 |
Sähköinen ISBN | 978-952-64-1678-6 |
Tila | Julkaistu - 2024 |
OKM-julkaisutyyppi | G5 Artikkeliväitöskirja |
Tutkimusalat
- germanium
- musta germanium
- pintapassivointi
- atomikerroskasvatus
Sormenjälki
Sukella tutkimusaiheisiin 'Optisten ja sähköisten häviöiden minimointi germaniumissa käyttäen pinnan nanokuviointia ja pintapassivointia'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.Laitteet
-
-
-
OtaNano Nanomikroskopiakeskus
Seitsonen, J. (Manager) & Rissanen, A. (Other)
OtaNanoLaitteistot/tilat: Facility