Characterizing the structural and optical properties of AlGaN nanostructures for ultraviolet LED applications using correlated electron microscopy

Abstract

Under den pågående koronaviruspandemien, har behovet for desinfeksjonsmidler skutt i været. Dermed har interessen for ultrafiolett (UV) lys som kan brukes til desinfisering økt kraftig. For desinfisering behøves UV-lys med en bølgelengde kortere enn 280 nm, altså UVC. Lys-emitterende dioder (LED) kan både redusere kostnader og energiforbruk for UV-lys. Ved å variere andelen Al i AlGaN kan man realisere LED-er med emisjonsbølgelengder i hele UV-spektret. Enheter basert på nanotråder har lav tetthet av defekter sammenligna med konvensjonelle plane enheter, som kan gjøre dem mer effektive. I dette arbeidet er et tidlig stadium av Al-rike nanotråder grodd med metallorganisk gassfase-epitaksi for å realisere UVC LED-er studert med en korrelert karakteriseringsmetode, med mål om å relatere de optiske og strukturelle egenskapene til nanotrådene direkte.

To prøver utsatt for ulike forhold under groing ble studert. Ordna rader av heksagonale nanopyramider ble observert i sveipeelektronmikroskop (SEM). I sample 1 var de fleste nanopyramidene spisse, mens i sample 2 hadde de fleste flate tupper. De optiske egenskapene ble studert med katodeluminesens (CL), der to topper i emisjonsspektret ble funnet ved 270 og 345 nm. Dette korresponderer til en Al-andel på henholdsvis 52 % og 9 %. De flate nanopyramidene fra sample 2 hadde mindre gunstig CL-emisjon for UVC-applikasjoner, fordi de hadde mer emisjon av UVA og synlig lys. (Sveipe)transmisjonselektronmikroskopi ((S)TEM) ble brukt til å undersøke strukturelle egenskaper ned til atomær oppløsning. Ved TEM-basert analyse ble krystallstrukturen til nanopyramidene bestemt til å være av typen wurtzitt, med (0001)-plan som base og {011 ̅1}-fasetter. Bortsett fra noen stablefeil i basalplan ble ingen planare defekter observert. I STEM var det tydelig at nanopyramidene hadde en heterostruktur med to lag. Ved energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS), ble det bekrefta at det ytre laget var Al-rikt, mens den indre pyramiden hadde mindre Al, senere relatert til CL-toppen ved 345 nm. Siden de flate nanopyramidene også hadde flate indre pyramider, påvirker formen til nanopyramidene i dette tidlige grostadiet formen til de ferdige nanotrådene. EDS-kvantifisering ble prøvd, men ga ikke like nøyaktige resultater som CL, hovedsakelig på grunn av absorpsjon av Nkα-røntgenstråler. Resultatene i dette arbeidet viser at optimering av materialet krever korrelerte studier av relasjonene mellom struktur og egenskaper til separate nanostrukturer. Likevel må prøvegeometri og kvantitativ dataanalyse videreutvikles for å kunne bidra direkte til realisering av UVC-LED-er. Forslag til forbedring av den korrelerte tilnærminga ved å bruke en nyutvikla S(T)EM ved lav spenning, som vist i dette arbeidet, er presentert.

Amidst the ongoing coronavirus pandemic, the need for disinfectants has surged. As such, the interest for ultraviolet (UV) light with sterilization abilities has increased drastically. For disinfection, UV light with a wavelength shorter than 280 nm, UVC, is needed. Light emitting diodes (LEDs) have the potential of reducing cost and energy consumption for UV light. By tuning the Al composition in AlGaN, LEDs with emission wavelengths in the entire UV-range can be realized. Nanowire (NW) based devices have low defect densities compared to conventional planar devices, allowing for higher efficiencies. In this work, the early stage of Al-rich NWs grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) for realizing UVC LEDs is studied using a correlated characterization method, aiming to directly relate the optical and structural properties of the NWs.

Two different samples subject to similar growth conditions were studied. The samples consisted of ordered arrays of hexagonal nanopyramids, as studied by scanning electron microscopy (SEM), where the nanopyramids of sample 1 had mostly pointed tips, while in sample 2, mainly truncated tips were observed. The optical properties were examined using cathodoluminescence (CL), and two main emission peaks at 270 nm and 345 nm were found, corresponding to an Al content of 52 % and 9 %, respectively. The truncated nanopyramids from sample 2 had less desirable CL emission for UVC applications, as there were more UVA and visible light emission. (Scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM) was used to examine structural properties down to atomic resolution. By TEM-based analysis, the nanopyramids were found to have a wurtzite crystal structure with a (0001) base plane and {011 ̅1} facets. Except for some basal plane stacking faults, no planar defects were observed. In STEM, it was evident that the nanopyramids were heterostructured with two layers. By energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS), it was confirmed that the outer layer was Al-rich, while the inner pyramid had less Al, later linked to the 345 nm CL emission peak. As the truncated nanopyramids also had a truncated inner pyramid, the shape formed in the early growth stage affects the shape of the finished NWs. EDS quantification was attempted, but did not produce as accurate quantitative results as CL, mainly due to Nkα x-ray absorption. The results in this work demonstrate that optimizing material performance requires correlated studies of the structure-property relation of separate nanostructures. However, specimen geometry and quantitative data analysis must be developed further to directly contribute to the realization of NW-based UVC LEDs. Suggestions are made to refine the correlated approach by using state-of-the-art S(T)EM at low acceleration voltages as done in the present study.