| dc.description.abstract | III-nitrider viser lovende egenskaper for bruk innen ultrafiolette optoelektroniske enheter, men en betydelig utfordring for fremtidig utbedring er lav effektivitet for enheter med kort bølgelengde. Med en økende etterspørsel for slike enheter søkes kunnskap om årsakene til den lave effektiviteten. Noen av bidragene in- kluderer uoverensstemmelse i gitterkonstant mellom substrat og III-nitrid tynn- film, og absorpsjon av ultrafiolett stråling i substratet. En betydelig forbedring av krystall-kvaliteten oppnås ved å substituere konvensjonelle planare enheter med enheter basert på nanotråder. Grafén har også vist seg å ha gunstige egenskaper som vekstsubstrat og ikke-absorberende elektrode. I dette arbeidet presenteres en korrelert studie bestående av sveipelektronmikroskopi, katode- luminisens og (sveipe)transmisjonselektronmikroskopi, inkludert energidispersiv spektroskopi, av AlGaN-nanotråder på grafén, grodd med metallorganisk gass-fase- epitaksi. Målet med dette er å etablere en sammenheng mellom strukturelle og optiske egenskaper for å øke effektiviteten til AlGaN nanotråd-baserte ultrafiolett lysemitterende dioder.
Nanotråder grodd med posisjon-kontroll ved hjelp av en mønstret maske tillater mer uniforme nanotråder for enklere fabrikasjon og økt ytelse. Til tross for utnyttelse av denne vekstmetoden eksisterer det fortsatt variasjoner i nanotrådene. På grunn av dette er det nødvendig å utføre en korrelert studie slik at effektivitetsbegrensende faktorer kan identifiseres. Seks individuelle og representative nanotråder er derfor systematisk inspisert og presentert med de fem nevnte teknikkene. En klynge bestående av flere nanotråder festet til den mønstrede masken er også inkludert i den korrelerte studien.
De inspiserte AlGaN-nanotrådene gror hovedsakelig separat med en diameter og lengde på henholdsvis 499 ± 113 nm og 574 ± 115 nm. Inspeksjon med transmisjonselektronmikroskop viser wurtzitt krystallstruktur med vekstretning langs c-aksen. De eksponerte fasettene er {10 ̄10}, {1 ̄102} og {0001}. Flertallet av nanotrådene viser emisjon rundt 361 nm og dette emisjonsbåndet har en rødforskyvning og en gradvis avtagende intensitet mot bunnen av nanotrådene. Korngrenser og andre uregelmessigheter er antatt å være ansvarlig for sistnevnte. Rødforskyvningen kan muligens forklares med ytterligere akseptor-energinivåer fra p-GaN laget, som er tykkere på de nedre m-planene som følge av høyere vekstrate. Optisk data er analysert med avanserte prosesseringsteknikker basert på ikke-veiledet maskinlæring. Hensikten er å fjerne overflødig data og støy og å gjenkjenne repeterende mønster i dataen. Diffusjon degraderer den romlige oppløsningen i den optiske dataen, noe som kompliserer mønstergjenkjenning og lokalisering av mønster på nanotrådene.
AlGaN nanotrådene er grodd tilnærmet uten defekter, men noen stablefeil, fasettendringer og andre uregelmessigheter foreligger sporadisk. Fordelingen av disse øker i tetthet for den nedre delen av nanotrådene. Variasjon i tykkelse for forskjellige lag forårsaker også uønskede effekter. Målrettet vekst med høyere krystallkvalitet og mer uniform tykkelse for den radielle veksten bør derfor implementeres for optimalisering av enhetene. Til dette formålet vil korrelert optisk og strukturell karakterisering på nm-skala, som utviklet og utført i denne studien, være viktig. | |
| dc.description.abstract | III-nitrides exhibit promising properties for application within ultraviolet opto- electronic devices. However, a significant roadblock for future development is the poor wall-plug efficiency for short wavelength devices. With a growing demand for these devices, knowledge concerning the features causing the efficiency droop is sought for. Some of the contributions include lattice mismatch between the substrate and the III-nitride thin film, and absorption in the ultraviolet range by the substrate. A significant enhancement of the crystal quality has been achieved by substituting conventional planar devices with nanowire-based ones. Graphene has proved to exhibit favourable properties as growth substrate and transparent electrode with low absorption in the ultraviolet range. Here, a correlated study comprising scanning electron microscopy, cathodoluminescence and (scanning) transmission electron microscopy, including energy-dispersive X-ray spectroscopy, has been applied to metal-organic chemical vapour deposition grown AlGaN nanowires on graphene. The aim is to link optical properties to structural and compositional properties in order to optimise growth of more efficient AlGaN nanowire-based ultraviolet light-emitting diodes.
Position-controlled nanowire growth on a patterned mask allows for greater uniformity within devices to help fabrication and device performance, however, structural variation still exists. Hence, a correlated study is necessary in order to recognise the factors limiting device efficiency. Six individual and representative nanowires are therefore systematically studied and presented, where the five aforementioned techniques are applied to every nanowire. A cluster consisting of several nanowires attached to the mask is also included in the correlated study.
The AlGaN nanowires mainly grow separately with a diameter and length of 499 ± 113 nm and 574 ± 115 nm, respectively. From transmission electron microscopy inspection the crystal structure is found to be wurtzite with growth direction along the c-axis. The displayed facets are {10 ̄10}, {1 ̄102} and {0001}. For the majority of the nanowires peak emission is detected at 361 nm and the emission band is found to exhibit a redshift and a decrease in intensity towards the bottom of the nanowires. Grain boundaries and other irregularities are assumed to be responsible for the latter. The redshift can possibly be explained by Mg acceptor levels from the p-GaN layer which, due to variation in growth rate, is much thicker on the nanowire m-planes. For the optical data, novel processing techniques based on unsupervised machine learning are applied in order to remove noise and redundant data and to detect repeating patterns. Diffusion of charge carriers deteriorates the spatial resolution of the optical data, complicating the process of assigning certain emission patterns to certain regions of the nanowires.
The studied AlGaN nanowires are predominantly grown defect-free. However, stacking faults, facet changes and other irregularities occasionally occur. The distribution of these defects is found to increase in density for the bottom part of the nanowires. Variation in the thickness of the heterostructure layers for different facets also causes undesirable effects. Higher crystal quality and more uniform thickness for the radial growth should therefore be targeted via systematic growth optimisation. For this routine, correlated optical and structural characterisation on the nm-scale, as developed and applied in the present study, will be essential. | |
