Selective-Area Metalorganic Vapour Phase Epitaxy of Gallium Arsenide Nanowires

III--V -puolijohteiden nanolangat ovat varteenotettava alusta seuraavan sukupolven optoelektroniikan ja nanofotoniikan sovelluksille. Suurin haaste näiden nanolankojen laajalle käytölle on niiden kasvattaminen pystysuoraan ennalta määrättyihin paikkoihin. Tässä työssä tutkittiin GaAs-nanolankojen selektiivistä kasvattamista metallo-orgaanisella kaasufaasiepitaksialla. Pystysuoria, haluttuun paikkaan sijoitettuja GaAs-nanolankoja saatiin onnistuneesti kasvatettua (111)-kidesuuntaisille pii- ja GaAs-alustakiteille. Nanolankojen paikka ja halkaisija määritettiin elektronisuihkulitografialla. GaAs-nanolankoja tutkittiin elektronimikroskopialla, sähköisillä mittauksilla ja mikrofotoluminenssimittauksilla (µ-PL). GaAs-alustakiteelle kasvatetuista GaAs-nanolangoista mitattiin lävistäjät ja pituudet ja luotiin niille usean selittäjän lineaariset regressiomallit. Samanlainen tilastollinen malli luotiin piialustakiteelle kasvatettujen GaAs-nanolankojen tuotolle. Havaittiin, että GaAs-alustakiteelle kasvatetut nanolangat ovat enimmäkseen wurtsiittia, mikä voitiin päätellä yksittäisen nanolangan µ-PL-mittauksista (77 K). Yksittäisille nanolangoille tehdyissä sähköisissä mittauksissa havaittiin ohmisen kontaktin sijasta Schottky-käyttäytyminen, mikä antaa aihetta jatkotutkimukselle. Piille kasvatettujen nanolankojen havaittiin sisältävän paljon pinousvikoja ja niiden hilarakenteen todettiin koostuvan sekä sinkkivälkkeestä että wurtsiitista. Nanolankojen PL-intensiteettiä onnistuttiin parantamaan jopa satakertaiseksi passivoimalla ne AlGaAs-kuorilla sekä pienentämällä nanolankojen keskinäistä etäisyyttä ja kuvioidun aukon kokoa. Työssä saavutetut tulokset voivat osoittautua hyödyllisiksi nanolankasovelluksia suunniteltaessa.III--V compound nanowires (NWs) are a promising platform for the next generation optoelectronic and nanophotonic devices. A key challenge for the exploitation of III--V NWs is the positioned growth of vertically aligned NWs. In this work, selective-area epitaxy (SAE) of GaAs NWs was studied using an atmospheric pressure metalorganic vapour phase epitaxy system. Vertically aligned, position-controlled GaAs NWs were successfully grown on (111) orientated Si and GaAs substrates. Electron beam lithography was used for patterning of the substrates to determine the positions and the diameters of the NWs. The GaAs NWs were characterized using scanning electron microscopy, transmission electron microscopy (TEM), electrical transport measurements and micro-photoluminescence (µ-PL) measurements. Statistical multivariate linear regression models for the NW diameter and length were compiled from the measured lengths and diameters of the NWs grown on GaAs. A similar model was developed to predict the yield of NWs grown on Si. It was concluded, that the NWs grown on GaAs are predominantly of a wurzite (WZ) phase, suggested from a single NW µ-PL measurements at 77 K. Schottky behaviour was observed from the two--terminal single NW electrical transport measurements, suggesting further improvement is required to achieve ohmic behaviour. On the contrary, the NWs grown on Si contain numerous stacking faults and consist of both zincblende (ZB) and WZ phases as observed from the TEM and the µ-PL measurements. Successful passivation of the NWs was achieved with a 40 nm thick higher band gap AlGaAs shell, resulting in two orders of magnitude enhancement in the PL intensity at room temperature. The results of this work could be useful in the design of GaAs NW based devices