Väitös kehittyneiden materiaalien ja fotoniikan alalta, DI Antti Myllynen

Väitöskirjan nimi: Diffusion-Driven Charge Transport in III-V Optoelectronic Devices

Tohtoriopiskelija: Antti Myllynen
Vastaväittäjä: Prof. Magnus Borgström, Lund University, Ruotsi
Kustos: Prof. Markku Sopanen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu, elektroniikan ja nanotekniikan laitos

Optoelektroniset laitteet, jotka muuntavat energiaa sähkön ja valon välillä molempiin suuntiin ovat pysyvästi muuttaneet elämämme lähes kaikkialta löytyvien hohtodiodien, eli ledien, ja lisääntyvien aurinkokennoasennusten kautta. Näiden teknologioiden viimeaikaisista edistyksistä huolimatta niiden perusrakenne on säilynyt muuttumattomana. Laitteiden aktiivinen alue, jossa energiakonversio pääasiassa tapahtuu, on sijoitettu n- ja p-seostetun alueen väliin. Tämä johtaa rajoituksiin kuten resistiivisiin häviöihin, heikkoon virranlevitykseen ja kontaktivarjostukseen. 

Tämä väitöskirja tutkii diffuusiovirtoihin pohjautuvaa varauksenkuljetusta (DDCT), joka mahdollistaa uusia laiterakenteita III–V-yhdistepuolijohteisiin perustuvalle optoelektroniikalle. Koska nämä laitteet hyödyntävät diffuusiovirtoja, aktiivisen alueen ei tarvitse sijaita n- ja p-seostettujen materiaalien välissä. Tällä tutkimuksella on kaksi päätavoitetta: (1) tunnistaa gallium arsenidiin (GaAs) perustuvien DDCT-laitteiden hyötyjä, vaatimuksia ja rajoituksia hyödyntämällä laitemallinnusta sekä (2) kehittää prosesseja laitteiden valmistamista varten. 

Mallinnustuloksien perusteella GaAs-pohjaiset DDCT-rakenteet voivat mahdollistaa tehokkaita, lähes resistanssista vapaita takakontaktoituja ledejä, joiden etupinta on täysin vapaa optimaalista valon ekstraktiota varten. Tulokset näyttävät lisäksi, että nämä rakenteet toimivat myös tehokkaina GaAs-aurinkokennoina, jotka muistuttavat lomitettuja takakontaktirakenteita, joita on aiemmin käytetty huipputehokkaissa pii-pohjaisissa aurinkokennoissa. Lateraalisesti seostettuja DDCT-laitteita valmistettiin onnistuneesti käyttämällä diffuusioseostusmenetelmää, joka hyödyntää laitteen atomirakenteessa olevien seostusatomien uudelleenjärjestämistä korkeassa lämpötilassa. Valmistettujen laitteiden sähköiset ja optiset ominaisuudet olivat lupaavia ja ne näyttivät todisteita lateraalisesta virranlevityksestä, joka on selkeä merkki diffuusiovirroista. 

Yleisesti, DDCT on lupaava menetelmä mahdollistamaan huipputehokkaita suuren pinta-alan laitteita, jotka ovat kiinnostavia useille sovellutuksille ja teknologisille aloille. Väitöskirjan tulokset ovat merkittävä askel eteenpäin kohti seuraavan sukupolven DDCT-laitteita, ne tuovat uutta ymmärrystä lateraalisesti seostettujen optoelektronisten laitteiden sisäisestä toiminnasta ja edistävät kiinteän aineen fysiikan jatkuvaa kehittämistä.

Avainsanat: III–V, ledit, aurinkokennot, numeerinen mallintaminen, lateraalinen seostus

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