Galliumantimonidipintojen passivointi optoelektronisissa komponenteissa

Abstract

Galliumantimonidi (GaSb) on III–V-yhdistepuolijohde, joka on noussut optoelektroniikassa kiinnostuksen kohteeksi suotuisan energiavyörakenteen takia, sillä yhdiste voi emittoida tai absorboida fotoneita keski-infrapuna-alueella. Galliumantimonidilla on käyttöä tällä alueella optoelektronisissa komponenteissa, jotka ovat elektronisia komponentteja, jotka muuntavat sähköistä energiaa valoksi tai valoa sähköiseksi energiaksi, kuten laserdiodit. Haasteena on, että GaSb on kemiallisesti hyvin reaktiivinen, minkä vuoksi se reagoi herkästi muiden yhdisteiden kanssa. Näin ollen GaSb vaatii hallittua pinnan optimointia optoelektronisissa komponenteissa käytettynä, minkä vuoksi GaSb-pintaa käsitellään passivoivilla käsittelyillä, jotta pinnan reaktiivisuus pienenisi ja komponentin suorituskyky paranisi.

Tämä kandidaatintyö käsittelee GaSb-pintojen passivointia optoelektronisissa komponenteissa. Työn tavoitteena on tuottaa lisätietoa aiemmin tutkituista GaSb-pintakäsittelyistä ja perusteltuja uusia pintakäsittelyvaihtoehtoja, joita voidaan soveltaa GaSb-pohjaisten optoelektronisten komponenttien suunnitteluun. Teoriaosuuden aluksi käsitellään puolijohteiden määritelmää ja GaSb-yhdisteen oleellisia ominaisuuksia lukijan motivoimiseksi, minkä jälkeen esitellään passivaation käsite, työssä käytetyt passivaatiokäsittelyt ja karakterisointimenetelmät. Työn passivaatiokäsittelyihin kuuluvat kemialliset märkäkäsittelyt, SiO2- tai SiNx -eristekerroksen kasvatus GaSb-pinnan päälle ja ammoniakkiplasmakäsittelyt. Karakterisointimenetelminä ovat fotoluminesenssispektroskopia (engl. photoluminescence spectroscopy, PL spectroscopy ), ellipsometria ja adheesiotestit.

Työn kokeellinen osa perustuu laajaan GaSb-näytesarjaan, jossa verrataan puhdastilassa tehtyjen passivaatiokäsittelyiden vaikutuksia sekä muihin käsittelyihin että käsittelemättömään vertailunäytteeseen karakterisointimenetelmien avulla. Kemialliset märkäkäsittelyt toteutetaan ex situ -menetelmillä dekantterilaseissa, ja eristekerrokset kasvatetaan plasmatehostetulla kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (engl. plasma-enhanced chemical vapour deposition, PECVD). PL- ja ellipsometriset mittaukset tehdään optimoiduilla mittauslaitteistoilla, ja adheesiotesteihin sovelletaan ASTM D3359 -standardia.

Tulokset vahvistivat hypoteesit ammoniakkiplasmakäsittelyn ja isopropanolin GaSb-pintaa passivoivista vaikutuksista. Lisäksi SiO2-kerroksen ja GaSb-pinnan välisen adheesion havaittiin vahvistuvan uudelleenoksidoitumisajan pidetessä, ja SiNx -kerroksen adheesio vaikutti olevan SiO2-kerrosta voimakkaampi. Ellipsometristen tulosten perusteella määritettiin GaSb-pinnalla natiivioksidin muodostumisnopeudet, joiden arvioitiin olevan jatkossa hyödynnettävissä vaadittavan uudelleenoksidoitumisajan arviointiin.

SiNx -kerroksen havaitaan heikentävän passivaatioastetta lähes kaikkien märkäkäsittelyiden yhteydessä, minkä tutkimusta tulee jatkaa. Lisäksi on järkevää jatkaa adheesiotestejä ja tutkia SiO2- ja SiNx -kerrosten erot mahdollisesti selittävää sähkökenttävaikutusta.

Gallium antimonide (GaSb) is a III–V semiconductor that has gained interest in optoelectronics due to its favorable energy band structure, as the compound can emit or absorb photons in the mid-infrared region. Gallium antimonide has applications in this region in optoelectronic components, which are electronic components that convert electrical energy into light or light into electrical energy, such as laser diodes. The challenge is that GaSb is chemically very reactive. That is why it reacts easily with other compounds. Hence, GaSb requires controlled surface optimization when used in the optoelectronic components. That is why the GaSb surface is treated with passivating treatments to reduce surface reactivity and improve the performance of the component.

The topic of this bachelor’s thesis is the passivation of GaSb surfaces in optoelectronic components. The aim of the thesis is to produce additional information on previously studied GaSb surface treatments and reasonable new surface treatment options that can be applied to the planning of the GaSb based optoelectronic components. The theoretical part begins with a discussion of the definition of semiconductors and the essential properties of the GaSb compound to motivate the reader. After this, the concept of the passivation, the passivation treatments, and the characterization methods used in the thesis are introduced. The passivation treatments used in this thesis include chemical wet treatments, growth of SiO2 or SiNx dielectric films on GaSb surfaces and ammonia plasma treatments. Characterization methods include photoluminescence spectroscopy (PL), ellipsometry and adhesion tests.

The experimental part of the thesis is based on a series of GaSb samples that compare the effects of passivation treatments performed in a cleanroom with other treatments and an untreated reference sample using characterization methods. Chemical wet treatments are performed using ex situ methods in beakers and dielectric films are grown using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). PL and ellipsometric measurements are performed with optimized measurement setups and adhesion tests are performed according to the ASTM D3359 standard.

The results confirmed the hypotheses about the passivating effects of ammonia plasma treatment and isopropanol on the GaSb surface. Moreover, the adhesion between the SiO2 film and the GaSb surface was observed to increase with increasing reoxidation time and the adhesion of the SiNx film appeared to be stronger than that of the SiO2 film. Based on the ellipsometric results, the native oxide formation rates on the GaSb surface were determined for estimating the required reoxidation time in the future.

The SiNx film is observed to reduce the passivation rate in almost all wet treatments, which requires further research. In addition, it is reasonable to continue the adhesion tests and study the possible electric field effect that may explain the differences between SiO2 and SiNx films.