Fabrication of Semiconductor Nanowires for Optical Studies

Abstract

Nanowires (NWs) are wire-like nanoscale structures that hold promise for next generation electronic and optoelectronic applications, such as light emitting diodes and solar cells. The small dimensions of the NWs cause optical phenomena that can be utilized in these applications. This thesis presents the results of the optical studies of NWs with controlled dimensions and positions and how to engineer the response of light in NWs to increase the efficiency of optoelectronical applications. Selective-area epitaxy was used to fabricate NWs with controlled dimensions and positions for the optical studies. Reflectance and cross-polarization spectroscopy were used to study the response of light from NW arrays. Reflectance revealed that the light trapping can be improved with Parylene-C coating of NWs and with dual-type NW arrays. Cross-polarization was used to characterize the optical modes in NWs. This is crucial, for example, in the optimization of the wavelength selective absorption in NWs. Position-control of the NWs also enabled to draw conclusions how certain optical phenomena and lattice vibrations can couple between neighbouring NWs. When the spacing was sufficient, the second harmonic generation from NWs had a non-overlapping emission pattern, centered on individual NWs. The large enough spacing allowed to see them clearly. When the NWs were used as THz radiation sources, the generated intensity was highest when the wavelength of the excitation light matched to the NW spacing. Additionally, quantized lattice vibrations in NWs were not affected by the NW spacing. Only the change in diameter had an effect on the lattice vibrations, thus no elastic coupling existed between neighbouring NWs.

Nanolangat ovat nanomittakaavan lankamaisia rakenteita, joita povataan alustoiksi seuraavan sukupolven elektroniikan ja optoelektroniikan sovelluksiin, kuten ledeihin ja aurinkokennoihin. Näkyvän valon aallonpituutta pienemmät mitat aiheuttavat optisia ilmiöitä, joita voidaan käyttää hyväksi yllämainituissa sovelluksissa. Tässä väitöskirjassa esitetään, kuinka valo käyttäytyy nanolangoissa, kun niiden mittoja – halkaisijaa, pituutta ja keskinäistä etäisyyttä – muutetaan ja kuinka valon vastetta nanolangoista muutetaan hallitusti, jotta optoelektronisten sovellusten hyötysuhdetta saataisiin parannettua. Selektiivistä epitaksiaalista kasvatusta käytettiin määrittämään nanolankojen pituus, halkaisija ja keskinäinen etäisyys, jotta optisia ilmöitä voitiin tutkia hallitusti. Heijastus- ja ristipolarisaatiomittauksia käytettiin tutkimaan valon vastetta nanolangoista. Heijastusmittaukset paljastivat paryleeni-C:llä pinnoitetun nanolankarakenteen ja niin sanotun tuplalankarakenteen parantavan valon imeytymistä rakenteseen. Ristipolarisaatiomittauksella pystyttiin tunnistamaan osa optisista moodeista suoraan nanolangoista, mikä on tärkeää kun halutaan optimoida vahvasti halkaisijasta riippuva aallonpituusherkkä absorptio. Nanolankojen paikan määrityksellä pystyttiin lisäksi päättelemään, miten niiden keskinäinen etäisyys vaikuttaa valon tai hilavärähtelyjen kytkeytymiseen vierekkäisiin lankoihin. Kun keskinäinen etäisyys oli riittävä, havaittiin selvä emissiokuvio yksittäisten nanolankojen ympärillä, kun nanolankoja käytettiin valon taajuustuplaamisessa. Tällöin kuviot eivät näkyneet päällekkäisinä. Kun nanolankoja käytettiin THz-säteilylähteinä, saatu intensiteetti oli suurimmillaan kun keskinäinen etäisyys täsmäsi sisääntulevan valon aallonpituuteen. Lisäksi havaittiin, että kvantittuneet hilavärähtelyt nanolangoissa eivät muuttuneet keskinäisen etäisyyden muuttuessa, vaan ainoastaan langan halkaisijan muuttuessa. Tämä viittaa siihen, etteivät hilavärähtelyt kytkeydy vierekkäisiin nanolankoihin.