Structuring of semiconductor materials is utilized in many optoelectronic devices, e.g, in order to make them more efficient, cost-effective, and/or to obtain specific wavelength-engineered responses. Semiconductor materials are widely used in optoelectronic devices due to their favorable optical and electric properties. Surface structuring of semiconductor materials can be applied in order to functionalize the surface by providing specific light manipulation functions (e.g., anti-reflection, trapping, scattering, and/or mode coupling). Thereby, light-matter interactions can be realized that are tuned for specific optoelectronic applications. The choice of materials, geometry, and spacing of the surface structuring are important factors. This thesis work investigates the nanostructuring of several types of semiconductor materials (e.g., c-Si, a-Si, GaInP, TiO₂, and ZnO) for applications such as optical sensing, broadband anti-reflection, light extraction enhancement, optical/color filtering, and color conversion.

   c-Si nanopillar arrays are used as a platform for optical sensing. Their characteristic reflectance spectrum is used, where a peak shift of the reflectance spectrum is related to the refractive index and thickness of a deposited layer. A fabrication process based on nanoimprint lithography and inductively coupled plasma reactive ion etching was used to fabricate Si nanopillar arrays. Refractive index sensing applications were investigated by measurements and simulation study. Both medium sensing and surface sensing applications were demonstrated. The medium sensing resulted in a refractive index sensitivity of ~250 nm/RIU within the visible(-NIR) wavelength spectrum and a lower bound detection limit of ~2∙10^-4 RIU^-1. The surface sensing enables to measure lower bound (average) SiO₂ and Si₃N₄ layer thicknesses of ~8.1∙10^-2 and ~5.2∙10^-2 nm, respectively, which is less than a monolayer of these materials.

   a-Si nanodisk arrays are demonstrated for broadband anti-reflection and optical/color filter applications. Their (relative) occurring Mie resonances were utilized, by controlling the nanodisk diameters. Substrate-free a-Si nanodisk arrays were obtained by a top-down method, based on a combination of colloidal lithography, inductively coupled plasma reactive ion etching, and sacrificial layer etching. This resulted in nanodisk arrays with a hexagonal array period of 500 nm, height of 200 nm, and diameters varying between 150-400 nm. Placed on a Si substrate, broadband anti-reflection applications were demonstrated. An average surface reflection of ~7.5% was obtained in the visible-NIR wavelength spectrum for the structures placed on Si. By subsequently embedding the nanodisk arrays in a highly transparent film (PDMS), (reflectance and transmittance) optical/color filter applications were demonstrated in the visible-NIR wavelength spectrum. Spectrophotometry and simulations were utilized for optical characterization. For the optical/color filter applications, tunable reflectance and transmittance peaks were obtained with a shift rate of ~1.5 nm/nm nanodisk diameter increase.

   Structured metal-oxide-based optical coatings are demonstrated as non-absorbing broadband anti-reflection coatings and for light extraction enhancement add-on layers for solar cell and LED applications, respectively. Sol-gel-based ZnO nanodisk and nanocone arrays were realized by a combination of a drop-casting, colloidal lithography, and reactive ion beam etching process. TiO₂ nanoparticle-based microcone and nanodisk arrays were fabricated based on an in-house developed embossing/soft imprinting method. For both the TiO₂ and ZnO stuctures, spectrophotometry and simulation studies were utilized for optical characterization. The fabricated ZnO nanocone and TiO₂ nanodisk array structures on Si resulted in a lowest average surface reflection of ~7.5% and ~7% along the visible-NIR wavelength spectrum, respectively. Surface reflections as low as ~4% were shown to be possible for further optimized ZnO nanocone and TiO₂ nanodisk array structures by simulation studies. TiO₂ nanodisk arrays were realized on pre-fabricated planar single-junction Si, GaAs, and InP solar cells. This resulted in an increase of ~1.3 times of the short-circuit current density, and a slight increase (~10-20 mV) of the open-circuit voltage was observed. TiO₂ microcone arrays were realized on vertical thin film GaN-based (planar) light emitting diodes. This resulted in an optical power enhancement of ~2.1 times.

   GaInP nanowire/pillar arrays are demonstrated for color conversion applications. This was investigated for light conversion from blue (450 nm) and green (532 nm) to red (~660 nm) light emission (e.g., in order to obtain high brightness red LEDs). Nanopillar/wire structures show the advantage of a better in- and out-coupling of the source and emitted light, respectively. This results in absorbance enhancement as well as higher light extraction for the same type of structuring. Two top-down fabrication processes were demonstrated in order to obtain high quality GaInP nanopillars/wires, obtained from lattice matched GaInP layers grown on GaAs (100). A passivation treatment was used in order to obtain high optical quality GaInP nanopillar arrays, with a carrier lifetime in the order of 0.6 ns and increased photoluminescence intensities of ~5 times. A simulation study was performed to design the optimal GaInP nanowire array structuring for absorption of blue and green light. Similar GaInP nanopillar arrays were fabricated, based on this study. A GaAs sacrificial layer was used below the fabricated structures in order to obtain substrate-free structures. The structures were embedded in a PDMS film in order to study their optical and color conversion properties. The nanowire/pillar structuring showed an almost 100% absorption of (blue) incident light. A photoluminescence study was used to demonstrate the color conversion properties, indicating favorable properties for the nanowire/pillar arrays.

Strukturering av halvledarmaterial har många användningar inom optoelektroniska komponenter, t.ex. för att göra dem mer effektiva, kostnadseffektiva, och/eller för att uppnå våglängdsspecifika funktioner. Halvledarmaterial används ofta för optoelektroniska komponenter på grund av deras goda optiska och elektriska egenskaper. Ytstrukturering av halvledarmaterial kan användas till att funktionalisera ytan med egenskaper för att manipulera ljus (t.ex. antireflexion, infångning, spridning och/eller mode-koppling). Därigenom kan interaktioner mellan ljus och materia kontrolleras för specifika optoelektroniska ändamål. Valet av material, geometri och period hos ytstrukturerna  är viktiga faktorer. Arbetet som presenteras i den här tesen undersöker nanostrukturering av flera olika halvledarmaterial (t.ex. c-Si, a-Si, GaInP, TiO2 och ZnO) för applikationer inom optiska sensorer, hög bandbredds antireflexion, ökning av ljusextraktion, färgfiltrering och färgkonvertering.     Fält av c-Si nanopelare används som en plattform för optiska sensorer. Deras karakteristiska reflexionsspektrum används, där ett skifte i positionen hos en reflexionstopp är relaterat till brytningsindexen och tjockleken på ett deponerat lager. En tillverkningsmetod baserad på ’nanoimprint lithography’ och reaktiv jonetsning med induktivt kopplat plasma användes för att tillverka fält av Si nanopelare. Brytningsindex detektion undersöktes med experiment och simulering. För brytningsindex detektion demonstrerades detektion av både ändring i index för ett omkringliggande medium och för tunna lager på ytan av pelarna. Medium avläsningen gav en brytningsindexsensitivitet på ~250 nm/RIU inom det synliga ljusspektrumet och en lägsta detektionsgräns på ~2∙10-4 RIU-1. Detektion på ytan möjliggör mätning av lagertjocklekar av SiO2 och Si3N4 på ner till ~8.1∙10-2 och ~5.2∙10-2 nm, respektive, mindre än ett monolager av dessa material.    Fält av a-Si nanodiskar demonstreras för antireflexion med hög bandbredd och optisk/färg filtrering. Diskarnas Mie resonanser utnyttjades genom att kontrollera disk diametern. Substratfria a-Si nanodiskfält framställdes genom en ’top-down’ metod baserad på kolloidal litografi, reaktiv jonetsning med induktivt kopplat plasma samt etsning av offerskikt. Detta resulterade i nanodiskfält med en hexagonal periodicitet på 500 nm, höjd 200 nm och varierande diametrar från 150 till 400 nm. Hög bandbredds antireflexion demonstrerades när nanodiskfälten placerades på ett kiselsubstrat. En genomsnittlig reflexion på ~7.5 % erhölls i det synliga-NIR våglängdsspektrumet för nanodiskfält på Si. Genom att bädda in diskarna i en högtransparant film (PDMS), demonstrerades (reflexion och transmission) optiska/färg filter funktioner i det synliga-NIR  våglängdsspektrumet. Spektrofotometri och simulering användes för optisk karakterisering. För filter applikationerna erhölls reflexions och transmissions toppar som kunde kontrolleras med ett skifte på ~1.5 nm per nm ökning av disk diameter.     Strukturerade metall-oxid baserade optiska beläggningar demonstreras för icke absorberande- hög bandbredds-antireflexion hos solceller samt för ökning av ljusextraktion i LEDs. Sol-gel ZnO nanodiskar- och nanokon-fält framställdes genom en kombination av dropp-deponering, kolloidal litografi och reaktiv jonetsning. Nanopartikel-baserade TiO2 mikro-koner och nanodiskar framställdes genom en mjukpräglingsmetod som utvecklats internt. Både ZnO och TiO2 strukturerna karakteriserades med spektrofotometri och simulering. De tillverkade ZnO nanokon- och TiO2 nanodisk-fälten på kisel gav en lägsta genomsnittlig reflexion på ~7.5% och ~7% i det synliga-NIR våglängdsspektrumet, respektive. Reflexioner från ytan så låga som ~4% ix  visades vara möjliga i simuleringsstudier för optimerade ZnO nanokon- och TiO2 nanodisk-fält. Fält av TiO2 nanodiskar framställdes på prefabricerade planära solceller med en enkel pnövergång av Si, GaAs eller InP. Detta resulterade i en ökning av densiteten kortslutningsström med ~1.3 gånger och en lätt ökning (~10-20 mV) av spänningen vid öppen krets. TiO2 mikrokoner tillverkades på tunnfilm LEDs i vertikal ordning av GaN. Detta gav en ökad optisk effekt med ~2.1 gånger ursprungsvärdet.     GaInP nanotråd/nanopelar fält demonstreras för applikation inom färgkonvertering. Detta undersöktes för konversion från blå (450 nm) och grön (532 nm) till röd (~660 nm) ljusemission (t.ex. för LEDs med hög ljusstyrka).  Nanopelar/tråd strukturer visar fördelar inom in- och ut- koppling av ljus. Detta resulterar i en ökning av absorption samt bättre ljusextraktion för samma typ av strukturering. Två ’top-down’ fabrikationsprocesser demonstrerades för att erhålla högkvalitativa GaInP nanopelare/trådar från GaInP lager växta på GaAs (100), med matchande gitterkonstanter. En passiveringsbehandling användes för att få högkvalitativa GaInP nanotråds-fält med en laddningsbärarlivstid på 0.6 ns och en ~5 falt ökad fotoluminiscensintensitet. En simuleringsstudie utfördes för optimering av GaInP nanotråds-fältens absorption av blått och grönt ljus. Baserat på studien tillverkades liknande GaInP nanopelar-fält. Ett GaAs offerskikt användes under de tillverkade strukturerna för att kunna frigöra dem från substratet. Strukturerna inbäddades i en PDMS film för att studera deras optiska- och färgkonverteringsegenskaper. Nanotråd/pelar strukturerna visade nästan 100% absorption av (blått) inkommande ljus. En fotoluminiscensstudie gjordes för att demonstrera färgkonvertering, vilken indikerade gynnsamma egenskaper hos nanotråd/pelar-fälten.