Nanowire technology for optoelectronic applications

Abstract

Nanowires (NWs) have enormous potential for a number of future applications, especially in the field of optoelectronics. This thesis advances key areas in optoelectronic nanowire device fabrication. The studied key areas focus on the reduction of fabrication costs and on improving the performance of complete devices, both of which are essential for practical applications. Ordinary window glass is showed to be a feasible growth platform for GaAs NWs, which additionally produces high crystalline and optical quality NWs. These improvements are attributed to impurities originating from the glass. Another low-cost pathway for NW production studied here was Al-doped ZnO buffer layers, which are transparent and conductive. These layers could be deposited on nearly any substrate, and NWs could be subsequently grown on top irrespective of the underlying material. Surface states are detrimental especially for GaAs NW device performance, for which different passivation methods are presented. Widely used AlGaAs shells are shown to alter the optical processes in the NWs, and Al segregation is shown to occur in the shell. Also a novel passivation method is presented using ultrathin InP or GaP capping layers, which provides strong passivation while causing minimal side- effects. Novel fabrication method is presented for large-area position-controlled NW growth. This method utilizes laser interference lithography that is fast and can be performed with relatively simple equipment. In addition, fabrication of dualtype NWs on a single substrate is presented. This method exploits two different NW growth modes and allows the growth of dissimilar NWs side-by-side. The dualtype NWs can enhance light trapping in solar cells and photodetectors, or expand the emitted wavelength range in light-emitting diodes. Another critical step in NW device fabrication is the contact isolation. This work presents a facile and lithography-free method to create shell-substrate isolated core-shell nanowires via spin-on-glass deposition and NW regrowth techniques. The method allows easier production of core-shell NW devices e.g. when NWs are grown directly on electrodes. NW isolation was additionally performed via encapsulation with parylene-C. This process provides antireflection coating for the NWs as well as electrical isolation for electrical contacts, and is suitable for various situations where current isolation methods are suboptimal.

Nanolangoilla (NL) on valtava potentiaali useissa tulevaisuuden laiterakenteissa, etenkin optoelektroniikan alalla. Tämä väitöskirjatyö edistää avainalueita optoelektronisten NL-laitteiden valmisuksessa. Nämä avainalueet keskittyvät valmistuskustannusten vähentämiseen sekä laitteiden tehokkuuden parantamiseen. Näillä osa-alueilla on tärkeä rooli NL-laitteiden tuomisessa todellisiksi kaupallisiksi tuotteiksi. Tavallisen ikkunalasin todettiin toimivan nanolankojen kasvatusalustana, ja lisäksi lasille tehtyjen nanolankojen kidelaatu ja optiset ominaisuudet olivat erittäin hyvät. Näiden hyödyllisten ominaisuuksien uskotaan aiheutuvan lasista peräisin olevista epäpuhtausatomeista. Toinen tutkittu lähestymistapa edullisten kasvatusalustojen käyttöön on alumiiniseostetut ZnO ohutkalvot, jotka ovat läpinäkyviä ja johtavia. Näitä ohutkalvoja voidaan valmistaa melkein mille tahansa materiaalille, minkä jälkeen NL:ja voidaan kasvattaa riippumatta alla olevasta materiaalista. Pintatilat ovat erittäin haitallisia NL-laitteissa, etenkin GaAs-nanolangoilla. Työssä tutkitaan menetelmiä GaAs-nanolankojen pintapassivointiin. Laajalti käytettyjen AlGaAs-kuorikerrosten todettiin vaikuttavan pintapassivoinnin lisäksi nanolankojen optisiin prosesseihin. Toinen työssä tutkittu passivointimenetelmä perustuu erittäin ohuisiin päällysteisiin InP:lla tai GaP:lla. Nämä päällysteet passivoivat pinnan tehokkaasti minimaalisilla sivuvaikutuksilla. Lisäksi esitellään uudenlainen nanolankojen valmistamismetodi, joka sopii laajoille alueille ja jossa NL:jen sijainti on kontrolloitavissa. Metodissa käytetään laserinterferenssilitografiaa, se on nopea ja tarvitsee vain yksinkertiaisia laitteita. Toinen tutkittu metodi mahdollistaa kahdenlaisten nanolankojen kasvatuksen vierekkäin samalle kasvatusalustalle. Nämä NL:t kasvatetaan kahdella eri kasvatusmenetelmällä ja ne voidaan tehdä eri materiaaleista. Kahdenlaiset NL:t vierekkäin parantavat valon loukkuuntumista aurinkokennoissa ja fotodetektoreissa, tai mahdollistavat laajemman emissiospektrin ledeissä. Sähköisten kontaktien eristäminen on yksi kriittisistä NL-laitteiden valmistuksen osa-alueista. Työssä esitetään menetelmä ydin-kuori nanolankojen valmistukseen, missä kuorikerros on eristetty kasvualustasta. Menetelmä on yksinkertainen eikä tarvitse litografiaa. Eristämistä tutkittiin myös paryleeni-C:llä, minkä havaittiin vähentävän reflektanssia huomattavasti. Prosessi oli myös sopiva epätasaisille pinnoille ja satunnaisiin suuntiin kasvaville nanolangoille, joihin aiemmat menetelmät ovat epäoptimaalisia.