Till innehåll på sidan

Leveraging HVPE for III-V/Si Integration and Mid-Infrared Photonic Device Fabrication

Tid: Fr 2022-10-14 kl 10.30

Plats: FR4 Oskar Kleins Auditorium, Roslagstullsbacken 21

Språk: Engelska

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Axel Strömberg , Fotonik, HMA

Opponent: Professor Charles Cornet, Université Rennes, INSA Rennes, CNRS, Institut FOTON – UMR 6082, F-35000 Rennes, France

Handledare: Doctor Yan-Ting Sun, Fotonik; Professor Sebastian Lourdudoss, Fotonik; Professor Mattias Hammar, Elektronik och inbyggda system

Abstract

Den här avhandlingen beskriver avancerade epitaxiella tekniker med hydridbaserad ångfasepitaxi: en tillväxtprocess som tar plats nära kemisk jämvikt. Teknikerna användes för integrering av III-V/Si – integrering för kiselbaserade tandemsolceller och fotoelektrokemiska reaktioner, odling av kvasifasmatchade GaP-strukturer på GaAs och återodling av InP:Fe på kvantkaskadlasrande strukturer.

Integrering av III-V – material på kisel är ett viktigt ämne inom flera fält, däribland utnyttjande av solenergi. Kombinationen av de ekonomiska fördelarna hos kisel med de fördelaktiga och flexibla optoelektroniska egenskaperna hos III-V – material representerar avsevärda framsteg för applikationer inom både solcellsteknik och fotoelektrokemi. GaAsP är en bra kandidat för kiselbaserade tandemsolceller, men har inte undersökts lika utförligt som andra III-V material. Genom att etablera en kostnadseffektiv integrationsteknik för GaAsP på kisel skulle viktiga framsteg inom solcellsteknik möjliggöras. Däremot finns det många stora teknologiska utmaningar för sådan integration, några av vilka adresseras i det här arbetet genom implementering av specialiserade epitaxiella tekniker. En tillverkningsprocess för 2” – skivor av GaAsP/Si har utvecklats. Den baseras på lateral epitaxiell täckning för att filtrera bort gittermissmatchdislokationer, vilket utnyttjar den karaktäristiska selektiviteten och höga tillväxthastigheten hos hydridbaserad ångfasepitaxi. Metoder för att kontrollera sammansättningen och kristallkvalitén hos både vertikalt och lateralt odlad GaAsP/Si och GaAsP/GaAs har också undersökts utförligt. Solcellsstrukturer har odlats baserat på undersökningen och ett processflöde för att tillverka solceller has designats och etablerats. III-V/Si integration har också undersökts för fotoelektrokemiska applikationer där p-GaP har odlats direkt på kisel. Detta kräver en specialiserad teknik, kallad för ångblandningsepitaxi, där gasinjiceringen är specialanpassad för att låta odlingen ta plats vid mycket lägre temperatur än vid konventionell odling. Både GaAs och GaP odlades på kisel med denna teknik där substratorienteringens och temperaturens inverkan undersöktes, följt av en mer utförlig studie av p-GaP/Si. p-GaP/Si och p-GaP/GaAs prover användes också för solljusdriven vattenspjälkning och koldioxidreduktion. Slutligen demonstrerades även ytselektiv epitaxi av GaAs och GaP direkt på mönstrade SiO2/Si substrat via ångblandningsepitaxi.

Trots flertalet användningsområden inom kommunikation och säkerhet finns det relativt få direkta källor för mid-infraröd- och terahertzstrålning. Ett sätt att nå dessa våglängder är genom att nedkonvertera mer väletablerade källor via ickelinjära optiska processer. Kvasifasmatchande halvledarstrukturer har visat sig vara en effektiv strategi för de ändamålen, där riktningsstrukturerade GaP/GaAs-strukturer har identifierats som en av de bästa kandidaterna. Tillverkningen av dessa strukturer ställer stora krav på de epitaxiella processerna som används och dessa har undersökts i detta arbete. En förstudie av ytselektiv homoepitaxi av GaP utfördes för att undersöka hur kontroll över tillväxtanisotropi kan uppnås med hjälp av odlingsparametrar. Därefter etablerades två metoder för att upprätthålla räta domängränser under odling riktningsstrukturerad GaP/GaAs. En metod är att använda två separata uppsättningar av odlingsparametrar för att först forma sneda facetter på domäntopparna som upprätthåller domängränsernas räthet, följt av andra odlingsparametrar med högre tillväxthastighet. Den andra metoden är att förhindra bildandet av snedgående dislokationer genom att öka GaCl-flödet under odling, vilket minskar den laterala tillväxten som sådana dislokationer orsakar. En ytterligare undersökning om GaCl-flödets inverkan på dislokationsbildning utfördes också för att bekräfta metoden. Tidiga resultat från en pågående studie presenteras också, där tidsupplöst odling på olika typer av riktningsstrukturerade GaAs-substrat utförs för att visa hur domängränsprofilen ändras under odling.

 En annan väl utforskad källa till koherent mid-infraröd- och terahertzstrålning är kvantkaskadlasern, som utnyttjar övergångar mellan subband i noggrant utformade periodiska halvledarkvantbrunnar. Den här processen tillåter hög effekt och justerbar våglängd, men leder också till högre värmeutveckling jämfört med konventionella laserövergångar. Det här motverkas typiskt genom att utnyttja begravda heterostrukturer för att maximera värmeledningen bort ifrån det lasrande området. Att återodla InP:Fe på InGaAs/AlGaAs – strukturer har visat sig vara väldigt effektivt trots de okonventionella geometriska kraven som ställs på epitaxiprocessen. I det här arbetet har InP:Fe återodlats på pelare av kvantkaskadlaserstrukturer arrangerade i ett hexagonalt mönster till en fotonisk kristall. Simuleringsarbete med en finita-element-metod utfördes för att undersöka effekten av återodlingen på värmehanteringen. Resultaten visar att, precis som för mer väletablerade linjära strukturer, InP:Fe förbättrar värmeledningen markant jämfört med andra material med sämre termiska egenskaper. Återodling av InP:Fe på en kvantkaskadlaser med fotonikkristallstruktur utfördes, där den höga tillväxthastigheten och tillväxtanisotropin ledde till komplett planarisering av de 12 µm höga pelarna på 13 min. Slutligen utfördes också återodling av InP:Fe på en mer konventionell kvantkaskadlaser men med en avsmalnande design för att öka tillståndstätheten och ge högre effekt. Dessa lasrars L-I-V egenskaper och strålstabilitet undersöktes under kvasi-kontinuerligt lasrande vid rumstemperatur.

De avancerade epitaxiella tekniker och deras användning inom olika områden som presenteras bygger alla på att utnyttja fördelarna och motverka begränsningarna hos hydridbaserad ångfasepitaxi. De ekonomiska fördelarna kombinerat med dess unika egenskaper demonstrerar stor potential för applikationer inom integration av III-V på kisel samt för källor till mid-infraröd- och terahertzstrålning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-318611