| dc.description.abstract | Etterspørselen etter optoelektroniske enheter som fungerer i det ultrafiolette (UV)-spekteret
øker i den moderne verden. Det er mange viktige bruksområder for UV-lys, men de fleste
UV-lyskilder som er tilgjengelige i dag har betydelige begrensninger, for eksempel at de
enten er kostbare, basert på kvikksølv, som er giftig, eller svært ineffektive. Neste skritt
mot mer effektive, rimelige og giftfrie UV-lyskilder, er å utvikle UV-lysemitterende dioder.
Gruppe III-nitrid UV-lysemitterende dioder (LED) har fått mye oppmerksomhet på grunn av
deres funksjonalitet og lovende bruksområder i ulike bransjer, inkludert biovitenskap, over-
flatesterilisering og vann- og luftrensing. Vitenskapen om nanoteknologi gir en rekke løs-
ninger som kan hjelpe LED-enheter som opererer i UV-området av spekteret, med å komme
nærmere LED enheter som opererer i det synlige lysområdet i spekteret, når det gjelder ef-
fektivitet. Veksten av nanotråder på grafen-, silisium- og safirsubstrater ved bruk av halvle-
dermaterialer, som kan brukes i et bredt spekter av enheter, forbedrer utvinningen av lys
og krystallkvaliteten. I dette prosjektet ble den avanserte elektronstrålelitografien (EBL) i
NTNU NanoLab brukt til å utvikle en prosess for å lage nanohullmønstrede SiO2 masker
på silisium og safir for selektiv områdevekst av GaN nanotråder i velordnede matriser ved
bruk av molekylær stråleepitaksi (MBE). I tillegg ble det også utviklet en våtetseprosess
for etsing av nanohullene i SiO2-masken på silisium- og safirsubstrater. Før og etter GaN
MBE-groingen, ble prøvene karakterisert med skanningselektronmikroskopi og atomkraft-
mikroskopi. Prøvene med SiO2 lag ble prosessert ved å følge de generelle litografitrinnene. I
tillegg ble adhesjonsfremmende hexamethyldisilazane (HMDS) påført SiO2-laget før spin-
coating av e-beam-resisten. Dette ble gjort fordi dårlig vedheft mellom SiO2-laget og e-
beam-resisten resulterte i løfting av resisten under våtetsing, slik at ingen hull sees etter
etsing. Prøvene, både for silisium og safir wafere, ble belagt med e-beam resist AR-P 6200
series (CSAR 62), mens for safir wafere ble resisten også belagt med AR-PC 5090.02 Electra
92 for å redusere lading under EBL.
EBL-parametrene som ble brukt for silisiumsubstratene med 30 nm SiO2 for å oppnå hull
med design med radier R = 20, 25, 30 og 40 nm og pitchstørrelse P = 400 nm, var strålestrøm
på 1 nA, 1 000 000 prikker, 500 μ i feltstørrelse og dosering på 200 μC/cm2. I tillegg var
de optimaliserte prosessparametrene for disse EBL-parametrene 1 minutt og 30 sekunders
fremkalling med AR 600-546, etterfulgt av 36 sekunder med 20:1 bufretoksidets (BOE). Et-
ter MBE-vekst av GaN nanotråder på en silisiumprøve med 30 nm SiO2 som ble prosessert
for MBE-vekst, kalt "Si-growth sample", viste SEM-bilder at nanotrådene ikke fylte hullene
helt, men hadde vokst som flere individuelle nanotråder i hvert hull, og vokste forbi SiO2-
laget. Nanotrådene ble observert for alle de forskjellige hullstørrelsene. Lengdene på nan-
otrådene på silisium varierte fra 231 nm til 260 nm, mens diametre varierte fra 44 nm til
61 nm. På grunn av temperaturforskjeller hadde venstre side av Si-growth sample en la-
vere tetthet av nanotråder enn midten av prøven. For safirskivene var de optimaliserte EBL-
parametrene de samme som for Si-growth sample, bortsett fra en eksponeringsdose på 300
μC/cm2 i stedet for 200 μC/cm2. Videre var de optimaliserte prosessparametrene 2 minutter
til 2 minutter og 10 sekunders fremkalling med AR 600-546, etterfulgt av 36 eller 37 sekunder med 20:1 BOE.
Etter MBE-vekst av GaN nanotråder på en safirprøve med 30 nm SiO2 som ble prosessert for
MBE-vekst, kalt "SAP-growth sample", viste SEM-bildene at nanotrådene ikke vokste forbi
SiO2-laget, bortsett fra noen områder på venstre side av prøven. I tillegg vokste GaN nan-
otrådene ved å fylle hele hullet for alle hullstørrelser. Generelt, for begge prøver som det ble
grodd GaN nanotråder på, Si-growth sample og SAP-growth sample, skjedde det ingen vekst
mellom hullene. Dette viser selektiv områdevekst er mulig for den utviklede SiO2-masken
med trigonale nanohull, noe som var vellykket for dette prosjektet. Det ble observert at øk-
ende doser, etsetid og fremkallingstid øker hulldiameteren til de mønstrede hullene i SiO2-
laget. Utilstrekkelig fremkalling av e-beam resists og eksponeringsdoser kan føre til ufulls-
tendig etsing av hullene, noe som resulterer i SiO2-rester i de etsede hullene. Selv om vek-
sten av GaN nanotråder på silisium- og safirskiver var vellykket, var det generelt vanskelig
å reprodusere resultatene, slik som SiO2 tykkelse på prøver, etsedybde og hulldiameter på
etsede hull, fra prosessering av en prøve til en annen. Dette kan skyldes prosessvariasjoner
som forskjellige SiO2 tykkelser fra prosess til prosess på grunn av ustabilitet i PECVD, vari-
asjoner i HMDS-applikasjon, variasjoner i e-beam resisttykkelse, tykkelsen på Electra, usta-
bilitet i målinger med AFM og reflektometer. En annen viktig faktor for variasjoner kan også
være EBL-eksponeringen, på grunn av fokusproblemer.
Fokus for fremtidig arbeid for å få mindre hull bør være på å forbedre EBL-prosessen, inklud-
ert ytterligere optimalisering av strålestrømmen, heftfremmer, doseringer, fremkallingstid,
wafer-rensing ved bruk av oksygenplasma og bruk av mindre SiO2-tykkelser i stedet for 30
nm SiO2. For at de MBE-grodde GaN nanotrådene skal fylle hele hullene i silisiumprøvene,
kan det være nødvendig å bruke optimale MBE gro-parametre, for eksempel bruke ekstra
gallium og legge til gallium ved starten av veksten. Det er også viktig å optimalisere våtets-
ingsprosedyren for å forhindre overdreven lateral etsing av hullene, som forstørrer hullenes
diameter. | |
| dc.description.abstract | The demand for optoelectronic devices which operates in the ultraviolet (UV) spectrum
is increasing in the modern world. There are many significant applications for UV light,
however, the majority of UV light sources available today have significant limitations, such
as being either costly, based on mercury, which is toxic, or being highly inefficient. The
next step toward more efficient, affordable, and toxic-free UV light sources, is to develop
UV light-emitting diodes. Group III-nitride UV light-emitting diodes (LEDs) have gained a
lot of attention due to their functionality and promising applications in various industries,
including life sciences, surface sterilization, and water and air purification. The science of
nanotechnology provides a variety of solutions that can help LED devices operating in the
UV region of the spectrum get closer to LED devices operating in the visible light region of
the spectrum, in terms of efficiency. The growth of nanowires on graphene, silicon and sap-
phire substrates using semiconductor materials, which can be employed in a wide range of
devices, enhances the extraction of light and the crystal quality. In this project, the state-of-
the-art electron beam lithography (EBL) in NTNU NanoLab was used to develop a process
to make nano-hole patterned SiO2 masks on silicon and sapphire for selective area growth of
GaN nanowires in well-ordered arrays using molecular beam epitaxy (MBE). In addition, a
wet etch process was also developed for etching the nano-holes in the SiO2 mask on silicon
and sapphire substrates. Prior to the GaN MBE growth and after the growth, the samples
were characterized with scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The
samples with SiO2 layer were processed by following the general lithography steps. In ad-
dition, the adhesion promoter hexamethyldisilazane (HMDS) was applied to the SiO2 layer
before spin-coating the e-beam resist. This was done because poor adhesion between the
SiO2 layer and the e-beam resist resulted in lifting of the resist during wet etching, such that
no holes are seen after etching. The samples, both for silicon and sapphire wafers, were
coated with the e-beam resist AR-P 6200 series (CSAR 62), while for the sapphire wafers, the
resist was also coated with AR-PC 5090.02 Electra 92 to reduce charging during EBL.
The EBL parameters used for the silicon substrates with 30 nm SiO2 to obtain holes of design
with radii R = 20, 25, 30, and 40 nm and pitch size P = 400 nm, were beam current of 1 nA, 1
000 000 dots, 500 μ in field size and dosage of 200 μC/cm2. In addition, the optimized pro-
cess parameters for these EBL parameters for these EBL parameters were 1 minute and 30
seconds of development with AR 600-546, followed by 36 seconds of 20:1 buffered oxide etch
(BOE). After MBE growth of GaN nanowires on a silicon sample with 30 nm SiO2 which was
processed for MBE growth, named “Si-growth sample”, SEM images showed the nanowires
did not completely fill the holes, but had grown as several individual nanowires within each
hole, and grew past the SiO2 layer. The nanowires were observed for all the different hole
sizes. The lengths of the nanowires on silicon varied from 231 nm to 260 nm, while their
diameters ranged from 44 nm to 61 nm. Due to temperature differences, the left side of the
Si-growth sample had a lower density of nanowires than the center of the sample. For the
sapphire wafers, the optimized EBL parameters were the same as for the Si-growth sample,
except for an exposure dosage of 300 μC/cm2 instead of 200 μC/cm2. Furthermore, the optimized process parameters were 2 minutes to 2 minutes and 10 seconds of development
with AR 600-546, followed by 36 or 37 seconds of 20:1 BOE.
After MBE growth of GaN nanowires on a sapphire sample with 30 nm SiO2 which was pro-
cessed for MBE growth, named "SAP-growth sample", the SEM images showed that the
nanowires did not grow past the SiO2 layer, except for some regions at the left side of the
sample. In addition, the GaN nanowires grew by filling the whole hole for all hole sizes.
In general, for both growth samples, the Si-growth sample, and the SAP-growth sample, no
growth occurred in between the holes. This demonstrates that the developed nano-hole
SiO2 mask is capable of selective area growth, which was successful for this project. It was
observed that increasing dosages, etching time, and development time, increases the hole
diameter of the patterned holes in the SiO2 layer. Insufficient development of the e-beam
resists and exposure dosages may lead to incomplete etching of the holes, resulting in SiO2
remains in the etched holes. Even though the growth of GaN nanowires on silicon and sap-
phire wafers was successful, it was in general difficult to reproduce the results, such as SiO2
thickness on samples, etch depth, and hole diameter of etched holes, from processing one
sample to another. This could be due to process variations such as different SiO2 thick-
nesses from process to process due to instability in PECVD, variations in HMDS application,
variations in e-beam resist thickness, the thickness of Electra, instabilities in measurements
with AFM and reflectometer. Another important factor for variations can also be the EBL
exposure, due to focus issues.
The focus for future work to get smaller holes should be on improving the EBL process,
including further optimizing the beam current, adhesion promoter, dosages, development
time, wafer cleaning using oxygen plasma, and depositing less SiO2 thicknesses instead of
30 nm SiO2. For the MBE-grown GaN nanowires to fill the whole holes in the silicon sam-
ples, it may be necessary to use optimal MBE growth conditions, such as utilizing additional
gallium and depositing gallium at the start of the growth. It is also essential to optimize the
wet etching procedure to prevent excessive lateral etching of the holes, which enlarges the
diameters of the holes. | |
