Ultraviolet Optoelectronic Devices Based on GaN/AlGaN Nanowires Grown on Graphene Substrates

Abstract

Dioder av gruppe III-nitrid halvledermateriale har utstrakte anvendelser innen den synlige delen av det elektromagnetiske spekteret. Feltet som omhandler bruken av ultrafiolette optoelektroniske komponenter er mindre modent, men får stadig mer oppmerksomhet ettersom både ultrafiolette lysemitterende dioder og fotodioder har mange bruksområder; ett av disse er inaktivering av bakterier ved hjelp av ultrafiolett stråling, som kan gjøres billigere, mer bærekraftig, og uten bruk av giftige stoffer med lysdioder [1]. Nye og kreative ideér kreves for at komponenter i den ultrafiolette delen av spekteret skal kunne innhente de synlige komponentene hva angår effektivitet, og nanoteknologi tilbyr mange løsninger. Ved å gro halvledermaterialet i komponentene som nanotråder i stedet for som tynnfilm, vil både krystallkvaliteten og utstrålingen øke, og nanotråder kan gro på praktisk talt alle tenkelige substrat. Et substrat av særlig interesse er det todimensjonale "vidundermaterialet" grafén, som kan bli brukt som gjennomsiktig og ledende substrat i optoelektroniske komponenter.

Å gro nanotråder av III-nitrid materiale på grafén er et relativt nytt konsept, og feltet som omhandler optoelektroniske komponenter basert på dette blandingssystemet er enda mer umodent - å få en dypere forståelse for de underliggende mekanismene er derfor høyt prioritert. Her presenterer vi fabrikasjonen og karakteriseringen av ultrafiolette lysdioder og ultrafiolette fotodioder basert på GaN/AlGaN nanotråder grodd på substrat av grafén/smeltet kvarts. En eksperimentell vei for å oppnå effektive ultrafiolette lysdioder basert på nanotråder er foreslått, etter en omfattende studie av feltet. Ultrafiolette fotodioder, både med en enkel GaN nanotråd-grafén Schottky-barriere og med to Schottky-barrierer forbundet rygg mot rygg, er prosessert. Grunner for hvorfor lysdiodene ikke ga utstråling av lys er gitt, basert på mikro-Raman-spektroskopi, målinger av strøm mot spenning, og målinger av elektroluminescens. Noen av egenskapene til fotodiode-komponentene er funnet ved hjelp av de to førstnevnte teknikkene, men de optiske egenskapene ble ikke målt. I tillegg til de optoelektroniske komponentene, er også gromasker av kvarts på substrat av silisium mønstret ved hjelp av elektronstråle-litografi. Mønstrene ble skrevet med den såkalte "punktmønstergenerator"-teknikken, og en teknologisk utfordrende kombinasjon av diameter og avstand mellom hullene på henholdsvis 104 nm og 193 nm ble valgt. En eksperimentell fremgangsmåte for å oppnå disse verdiene ble funnet, til tross for at at maskene ikke ble forsøkt grodd på.

Vi antar at vårt arbeid vil være et viktig steg mot mer sofistikerte komponenter med økte effektiviteter basert på forbedret fabrikering og vekst av nanotråder. For eksempel vil bruken av mønstret gromaske være relevant for en slik utvikling.

Diodes of group III-nitride semiconductor material have been widely used for optoelectronic applications in the visible part of the electromagnetic spectrum. The field of ultraviolet optoelectronic devices is less mature, but is currently gaining more momentum as both ultraviolet light-emitting diodes and photodiodes have several areas of utilisation; one is the inactivation of bacteria by ultraviolet radiation, which can be done cheaper, more sustainable, and without the use of toxic materials by using light-emitting diodes [1]. Novel and creative ideas are required for devices operating in the ultraviolet part of the spectrum to catch up with visible devices in terms of efficiency, and the field of nanotechnology offers numerous solutions. By growing the semiconductor material of the devices as nanowires instead of thin-film, both the crystal quality and light extraction will increase, and nanowires can be grown on virtually every type of substrate. One substrate of interest is the two-dimensional "wonder material" graphene, which can be utilised as a transparent conductive substrate in optoelectronic devices.

The growth of III-nitride nanowires on graphene is a relatively new concept, and the field of optoelectronic devices based on this hybrid system is even more immature - gaining a deeper understanding of the underlying mechanisms is therefore a high priority.

Here we present the fabrication and characterisation of ultraviolet light-emitting diodes and ultraviolet photodiodes based on GaN/AlGaN nanowires grown on graphene/fused silica substrate. An experimental pathway to achieve efficient nanowire-based ultraviolet light-emitting diodes is proposed, based on a thorough review of the field. Ultraviolet photodiodes, both with a single GaN nanowire-graphene Schottky barrier and two Schottky barriers connected back-to-back, are processed. Reasons for why the light-emitting diode devices did not give any output of light are given, based on micro-Raman spectroscopy, current-voltage measurements, and electroluminescence measurements of the devices. Some of the properties of the photodiode devices were found by the two former techniques, but their optical properties were not measured. In addition to the optoelectronic devices, growth masks of silica on silicon substrates were patterned by electron-beam lithography. The patterns were written using the so-called "dot-pattern generator" technique, and a technologically challenging combination of diameter and pitch, 104 nm and 193 nm respectively, were chosen. An experimental approach for reaching these values were found, although growth using the masks was never performed.

We expect our work to be an important step towards more sophisticated devices with increased efficiencies based on improved fabrication of devices and growth of nanowires. For example, the growth of nanowires on patterned growth masks will be relevant for such developments.