Väitös mikro- ja nanotekniikan alalta, DI Joonas Isometsä

Väitöskirjan nimi:Reducing optical and electrical losses in germanium via nanostructures and surface passivation

Tohtoriopiskelija: Joonas Isometsä
Vastaväittäjä: Prof. Bart Macco, Eindhoven University of Technology, Alankomaat
Kustos: Prof. Hele Savin, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Puolijohde komponentit ja niiden valmistusprosessit ovat kehittyneet valtavasti vuosien saatossa ja esimerkiksi uusimmat pii-valoilmaisimet pystyy havainnoimaan lähes jokaisen fotonin piin rajoitteiden puitteissa. Tämän seurauksena substraattimateriaalin vaikutus on kasvanut. Siten vaihtoehtoiset materiaalit, joilla on lupaavat ominaisuudet, kuten germanium, ovat nousseet esille. Germaniumilla (Ge) on useita merkittäviä etuja piihin verrattuna, kuten varauksenkuljettajien suurempi liikkuvuus ja kapeampi kielletty energiaväli, mikä tekee siitä houkuttelevan substraattimateriaalin erilaisiin optoelektronisiin sovelluksiin (esimerkiksi lähi-infrapunailmaisimiin, monikerrosaurinkokennoihin ja lämpösähkökennoihin). 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. Tavanomaiset heijastuksenestokalvot eivät suorituskyvyltään vastanneet meidän tavoitteita ja siten tutkimuksessa keskityttiin vaihtoehtoiseen metodiin, jossa pinnalle tehdään heijastuksia vähentäviä nanorakenteita. Työssä kehitetään kaksi erilaista valmistusprosessia Ge:lle, toinen induktiivisesti kytketyn plasman reaktiivisen ionisyövytyksen (ICP-RIE) avulla ja toinen metallikatalysoidun syövytyksen (MACE) avulla. ICP-RIE:n osoitetaan kykenevän tuottamaan 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. MACE-prosessi kuitenkin tarjoaa joitakin selkeitä etuja ICP-RIE:hen verrattuna, kuten alhaisemmat prosessointikustannukset 

Työn toinen pääteema on vähentää pinnan rekombinaatiota kehittämällä atomikerroskasvatettu (ALD) alumiinioksidi-pohjainen (Al2O3) passivointiprosessi. ALD Al2O3 näytettiin mahdollistavan tehokkaan passivoinnin kiillotetuille Ge-pinnoille. Tämän jälkeen, pintapassivointi prosessia kehitettiin soveltuvaksi ylläkehitetyille nanokuvioiduille pinnoille. Lopulta nanokuvioitu pinta alle 2% heijastuksella saatiin passivoitua erinomaisesti. Tässä työssä saavutetut tulokset antavat hyvän pohjan korkean hyötysuhteen optoelektronisten laitteiden suunnitteluun.

Avainsanat: germanium, musta germanium, pintapassivointi, atomikerroskasvatus

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Sähkötekniikan korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/53

Zoom pikaopas: https://www.aalto.fi/fi/palvelut/zoom-pikaopas