Semiconductor nanowire/graphene hybrids for high-efficiency light emitting diodes

Målet med M-era Net NAGRALED konsortiet var å utvikle lyseffektive lysdioder (LED) ved bruk av III-nitrid halvleder-nanotråder grodd på grafén. Konsortiet var sammensatt av tre universiteter (NTNU (Norge), Konkuk / Ewha Womans University (Korea) og Sejong University (Korea)), to bedrifter (CrayoNano (Norge) og Itswell (Korea)) og ett forskningsinstitutt (ETRI (Korea))) i Norge og Sør-Korea. Her oppsummerer vi resultatene oppnådd i NAGRALED-prosjektet av de norske partnerne, NTNU og CrayoNano. NTNUs hovedoppgave i prosjektet var groing og karakterisering av III-nitrid nanotråder på grafén ved bruk av molekylærstråleepitaksi (MBE), samt groing av grafén ved bruk av kjemisk dampavsetning (CVD). CrayoNano sin hovedoppgave i prosjektet var å jobbe med prosessering av CVD-grafén, vekst av III-nitrid-nanotråder på grafén ved bruk av metallorganisk CVD (MOCVD), samt med LED-fabrikasjon og -karakterisering. I begynnelsen av prosjektet lyktes vi med å gro grafén ved hjelp av CVD-metoden og Pt som katalysator. Grafén med høy kvalitet ble grodd på Pt-filmer så tynne som 25 nm, og en prosess for overføring av grafén til substrat ble etablert. Senere i prosjektet brukte vi også kommersielt Cu-katalysert CVD-grafén. Videre lyktes vi med nanometerskala hullmønstring av masker på de forskjellige grafén-typene ved bruk av elektronstråle-litografi (EBL) i NTNU NanoLab. Ved å bruke EBL ble en prosess utviklet for å fremstille hullmatriser med hulldiameter så liten som 100 nm og hull-avstand på 400 nm på en reproduserbar måte. AlGaN/GaN nanotråd-heterostrukturer med høy tetthet ble grodd med MBE på grafén overført på amorft silikaglass. Elektronmikroskopi-undersøkelser ble utført og nanotrådene ble funnet å ha en høy krystallkvalitet uten observerbare defekter eller stablingsfeil. For synlig lys LED-er ble InGaN-kvantebrønner grodd mellom et bunn n-GaN- og et topp p-GaN-segment. Nanotrådene gav lys nær 500 nm, godt egnet for synlig lys LED-display applikasjoner. CrayoNano oppnådde selektiv groing av AlGaN-nanopyramider på hullmaskemønstret grafén ved bruk av MOCVD med intens emisjon ved 365 nm. CrayoNano utviklet forskjellige III-nitrid LED-prototyper basert på både groing med tilfeldig-posisjonerte og groing med mønster-posisjonerte nanotråder på grafén. Vi har også utviklet de nødvendige etterbehandlingstrinnene til forskjellige topp (synlig lys) og flip-chip (UV) lysdioder. LED-ene ble planarisert ved bruk av forskjellige fyllmaterialer med bunn- og topp-metallkontaktelektroder avsatt på henholdsvis grafén-substratet og toppen av nanotrådene. NTNU utførte detaljerte målinger av strøm-spenning (I-V) karakteristikker og elektroluminescens fra de behandlede LED-ene. NTNU laget fungerende flip-chip UV-LED basert på tilfeldig-posisjonerte AlGaN-nanotråder der grafén ble brukt som både grosubstrat og transparent elektrode. Elektroluminescens ved 365 nm bølgelengde ble oppnådd under kontinuerlig forspenning og uten defektrelatert emisjon. Basert på temperaturavhengig fotoluminescens ble en IQE på ~ 46% estimert. Disse resultatene indikerer at grafén kan brukes som et funksjonelt grosubstrat og elektrode for III-nitrid-basert LED-teknologi. Generelt sett var imidlertid ytelsen til disse første prototypene av III-nitrid nanotråd/grafén-LED-er lav og det er fortsatt flere utfordringer relatert til både grafénkvaliteten så vel som til groing og prosessering av III-nitrid naotråd/grafén LED-er. Disse utfordringene må løses i fremtidig forskning og utvikling før LED-ene kan brukes i applikasjoner.

Results from the NAGRALED project will be beneficial for future research studies in academia as well as for development work in industry to develop future NW/graphene hybrid device systems. Considering the potential of the superior properties in light-efficiency and added functionalities of these devices, new high-volume market areas with large economic benefits can be anticipated. However, further large investments will be needed in both academia, to study their basic properties, as well as in industry to develop and test prototype devices in pilot and full-scale production. The results of the developed III-nitride NW/graphene LEDs in NAGRALED will be beneficial for CrayoNano to open up new applications fields, in particular for future micro LEDs for displays, enabling them to expand their present business activities from UVC LEDs, where they are pioneering this technology for use in e.g. water disinfection.

Since 2010 we have been working on the epitaxial growth of III-V semiconductors on graphene by molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE) methods, which are two major techniques in commercial III-V semiconductor growth. The current thin film LED technology is relatively well-matured. Light emission efficiency is regarded to be almost in saturation, thus cost efficiency with smart production has become more important factor in commercialization. Our novel III-V semiconductor nanowire (NW) array/graphene hybrid material concept can be a key revolutionizing the present solid-state lighting technology due to several important structural and cost-effective advantages over conventional planar film devices grown on single crystal substrate. In contrast to 2D film growth on thick solid substrates, graphene is one atom layered substrate and the NW growth only needs a low consumption of III-V semiconductor materials. The small size of NW and its small footprint easily release the lattice strain caused by lattice mismatch, thus making it possible to grow them in high crystal quality on graphene. In addition the NWs provide a structural versatility of designing 3D heterostructured architectures with compositional modulation along the axial or radial direction. The higher surface-to-volume ratio of NW structure can increase the light emission efficiency with enlarged active layer area than thin film in an equivalent dice area and the light extraction efficiency as a waveguide, all of which will contribute to energy saving. The NAGRALED consortium will be composed of three universities, two companies and one research institute in Norway and South Korea. The whole process from the first preparation of graphene substrates to the last standardized LED evaluation of devices will be developed and optimized for the realization of high-efficiency InGaN NW array/graphene LEDs.