Нитрид индия-галлия
Нитрид индия-галлия ( InGaN , In x Ga 1− x N ) — полупроводниковый материал, изготовленный из смеси нитрида галлия (GaN) и нитрида индия (InN). Это тройной группы III / группы с прямой запрещенной зоной полупроводник V. Его запрещенную зону можно регулировать, варьируя количество индия в сплаве. In x Ga 1-x N имеет прямой диапазон запрещенной зоны от инфракрасного (0,69 эВ) для InN до ультрафиолетового (3,4 эВ) для GaN. Соотношение In/Ga обычно составляет от 0,02/0,98 до 0,3/0,7. [1]
Приложения
[ редактировать ]светодиоды
[ редактировать ]Нитрид индия-галлия представляет собой светоизлучающий слой в современных синих и зеленых светодиодах и часто выращивается на буфере GaN на прозрачной подложке, например, из сапфира или карбида кремния . Он обладает высокой теплоемкостью чувствительностью к ионизирующему излучению и низкой III группы (как и другие нитриды ), что делает его также потенциально подходящим материалом для солнечных фотоэлектрических устройств, в частности для матриц для спутников .
Теоретически предсказано, что спинодальный распад нитрида индия должен происходить для составов от 15% до 85%, что приводит к образованию областей или кластеров InGaN, богатых In и Ga. лишь слабая фазовая сегрегация . Однако при экспериментальных исследованиях локальной структуры наблюдалась [2] Другие экспериментальные результаты с использованием катодолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции InGaN с низким содержанием In в многоквантовых ямах показали, что при обеспечении правильных материальных параметров сплавов InGaN/GaN теоретические подходы для систем AlGaN/GaN также применимы к наноструктурам InGaN. [3]
GaN — богатый дефектами материал с типичной плотностью дислокаций. [4] более 10 8 см −2 . Ожидается, что излучение слоев InGaN, выращенных на таких буферах GaN, используемых в синих и зеленых светодиодах, будет ослабляться из-за безызлучательной рекомбинации на таких дефектах. [5] Тем не менее, квантовые ямы InGaN являются эффективными излучателями света в зеленых, синих, белых и ультрафиолетовых светодиодах и диодных лазерах . [6] [7] [8] Области, богатые индием, имеют меньшую запрещенную зону, чем окружающий материал, и создают области пониженной потенциальной энергии для носителей заряда. Электронно-дырочные пары задерживаются там и рекомбинируют с испусканием света, вместо того, чтобы диффундировать к дефектам кристалла, где рекомбинация является безызлучательной. Кроме того, самосогласованное компьютерное моделирование показало, что излучательная рекомбинация сосредоточена там, где регионы богаты индием. [9]
Длина волны излучения, зависящая от ширины запрещенной зоны материала, может контролироваться соотношением GaN/InN: от ближнего ультрафиолета для 0,02In/0,98Ga до 390 нм для 0,1In/0,9Ga, фиолетово-синего 420 нм для 0,2In/0,8. Ga, к синему 440 нм для 0,3In/0,7Ga, к красному для более высоких отношений, а также по толщине слоев InGaN, которая обычно находится в диапазоне 2–3 нм. [ нужна ссылка ] . Однако результаты атомистического моделирования показали, что энергия излучения мало зависит от небольших изменений размеров устройства. [10] Исследования, основанные на моделировании устройств, показали, что можно повысить эффективность светодиодов InGaN/GaN, используя технологию запрещенной зоны, особенно для зеленых светодиодов. [11]
Фотовольтаика
[ редактировать ]Возможность проектирования запрещенной зоны с помощью InGaN в диапазоне, обеспечивающем хорошее спектральное соответствие солнечному свету, делает InGaN подходящим для солнечных фотоэлектрических элементов . [12] [13] Можно вырастить несколько слоев с разной шириной запрещенной зоны, поскольку материал относительно нечувствителен к дефектам, возникающим из-за несоответствия решеток между слоями. Двухслойная многопереходная ячейка с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ и 1,7 эВ может достичь теоретической максимальной эффективности 50%, а за счет нанесения нескольких слоев, настроенных на широкий диапазон запрещенной зоны, теоретически ожидается эффективность до 70%. [14]
Значительный фотоотклик был получен на экспериментальных однопереходных устройствах InGaN. [15] [16] Помимо контроля оптических свойств, [17] что приводит к созданию запрещенной зоны, производительность фотоэлектрических устройств может быть улучшена путем разработки микроструктуры материала для увеличения длины оптического пути и обеспечения улавливания света. Выращивание наноколонн на устройстве может в дальнейшем привести к резонансному взаимодействию со светом. [18] и наноколонки InGaN были успешно осаждены на SiO.
2 с использованием плазменного испарения. [19] Рост наностержней также может быть полезен для уменьшения количества дислокаций, которые могут действовать как ловушки заряда, снижая эффективность солнечных элементов.
[20]
Модулированная металлом эпитаксия позволяет контролировать атомный послойный рост тонких пленок с почти идеальными характеристиками, что достигается за счет релаксации деформации в первом атомном слое. Структуры решетки кристалла совпадают, напоминая идеальный кристалл с соответствующей яркостью. Кристалл имел содержание индия в пределах от х ~ 0,22 до 0,67. Значительное улучшение кристаллического качества и оптических свойств началось при x ~ 0,6. Пленки выращивались при температуре ~ 400 ° C для облегчения внедрения индия и с модуляцией прекурсора для улучшения морфологии поверхности и диффузии металлического слоя. Эти результаты должны способствовать развитию методов выращивания нитридных полупроводников в условиях высокого несоответствия решетки. [21] [22]
Квантовые гетероструктуры
[ редактировать ]Квантовые гетероструктуры часто строят из GaN с активными слоями InGaN. InGaN можно комбинировать с другими материалами, например GaN , AlGaN , SiC , сапфиром и даже кремнием .
Наностержни
[ редактировать ]Светодиоды InGaN с наностержнями представляют собой трехмерные структуры с большей излучающей поверхностью, большей эффективностью и большим световым излучением по сравнению с планарными светодиодами. [ нужна ссылка ] .
Безопасность и токсичность
[ редактировать ]Токсикология InGaN полностью не изучена. Пыль раздражает кожу, глаза и легкие. об аспектах окружающей среды, здоровья и безопасности источников нитрида индия-галлия (таких как триметилиндий , триметилгаллий и аммиак ) и исследованиях мониторинга промышленной гигиены стандартных источников MOVPE . Недавно в обзоре сообщалось [23]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Линти, Г. «Металлы группы 13: алюминий, галлий, индий и таллий. Химические закономерности и особенности. Под редакцией Саймона Олдриджа и Энтони Дж. Даунса. Энджью. Химия». Angewandte Chemie, международное издание . 50 : 11569. дои : 10.1002/anie.201105633 .
- ^ В. Качканов; КП О'Доннелл; С. Перейра; Р.В. Мартин (2007). «Локализация возбуждения в слоях InGaN» (PDF) . Фил. Маг . 87 (13): 1999–2017. Бибкод : 2007PMag...87.1999K . дои : 10.1080/14786430701342164 . S2CID 136950050 .
- ^ А. Реале1; А. Ди Карло; А. Винаттьери; М. Колоччи; Ф. Росси; Н. Армани; К. Феррари; Г. Сальвиати; Л. Лазарини; В. Грилло (2005). «Исследование динамики рекомбинации в МКЯ InGaN с низким содержанием In методами катодолюминесценции и возбуждения фотолюминесценции». Физический статус Solidi C . 2 (2): 817–821. Бибкод : 2005PSSCR...2..817R . дои : 10.1002/pssc.200460305 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Рак Джун Чой; Хён Джэ Ли; Юн Бонг Хан; Хён Кун Чо (2004). «Структурные и оптические свойства квантовых ям InGaN/GaN треугольной формы с различной плотностью пронизывающих дислокаций». Корейский журнал химической инженерии . 21 : 292–295. дои : 10.1007/BF02705411 . S2CID 54212942 .
- ^ П.Г. Елисеев. «Радиационные процессы в квантовых ямах InGaN» . Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 года.
- ^ Лян-И Чен; Ин-Юань Хуан; Чун-Сян Чанг; Ю-Сюань Сунь; Юн-Вэй Ченг; Мин-Юнг Кэ; Ченг-Пин Чен; ЦзяньДжанг Хуан (2010). «Высокоэффективные матрицы светодиодов наностержней InGaN/GaN, изготовленные с помощью наносферной литографии и процессов химико-механической полировки» . Оптика Экспресс . 18 (8): 7664–7669. Бибкод : 2010OExpr..18.7664C . дои : 10.1364/OE.18.007664 . ПМИД 20588606 .
- ^ Х. Дж. Чанг; и др. изменить. «Сильная люминесценция от деформационно-релаксированных наноконечников InGaN/GaN для высокоэффективных излучателей света» (PDF) . Проверено 20 сентября 2013 г.
- ^ C Скербишевски1,2, П. Перлин1,2, И. Гжегори, З.Р. Василевский, М. Секач, А. Федуневич, П. Вишневский, Ю. Борисюк, П. Приставко, Г. Камлер, Т. Суски и С. Поровски (2005). «Мощные сине-фиолетовые лазерные диоды InGaN, выращенные на объемных подложках GaN методом плазменной молекулярно-лучевой эпитаксии». Полупроводниковая наука и технология . 20 (8): 809–813. Бибкод : 2005SeScT..20..809S . дои : 10.1088/0268-1242/20/8/030 . S2CID 97464128 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Саккони, Ф.; Ауф дер Мор, М.; Печчиа, А.; Лопес, М.; Ди Карло, А. (2012). «Оптоэлектронные свойства наностолбчатых квантово-дисковых светодиодов InGaN/GaN» . Физический статус Solidi C . 9 (5): 1315–1319. Бибкод : 2012PSSCR...9.1315S . дои : 10.1002/pssc.201100205 .
- ^ М. Лопес, Ф. Саккони, М. Ауф дер Мор, А. Пеккья, А. Ди Карло. «Атомистическое моделирование квантовых дисковых светодиодов InGaN/GaN» (2012). «Атомистическое моделирование квантовых дисковых светодиодов InGaN/GaN». Оптическая и квантовая электроника . 44 (3): 89–94. дои : 10.1007/s11082-012-9554-3 . S2CID 126339984 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ М. Ауф дер Мор, К. Лоренц и А. Ди Карло. «Подходы к проектированию запрещенной зоны для повышения эффективности светодиодов InGaN/GaN» (2012). «Подходы к проектированию запрещенной зоны для повышения эффективности светодиодов InGaN / GaN». Физический статус Solidi C . 44 (3–5): 83–88. дои : 10.1007/s11082-011-9536-x . S2CID 11753092 .
- ^ Маклафлин, DVP; Пирс, Дж. М. (2013). «Прогресс в области материалов из нитрида индия-галлия для преобразования солнечной фотоэлектрической энергии» . Металлургические и сырьевые операции А . 44 (4): 1947–1954. Бибкод : 2013ММТА...44.1947М . дои : 10.1007/s11661-013-1622-1 . S2CID 13952749 .
- ^ Бхуян, А.; Сугита, К.; Хасимото, А.; Ямамото, А. (2012). «Солнечные элементы InGaN: современное состояние и важные проблемы». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 2 (3): 276–293. дои : 10.1109/JPHOTOV.2012.2193384 . S2CID 22027530 .
- ↑ Почти идеальный солнечный элемент, часть 2. Архивировано 17 сентября 2020 года в Wayback Machine . Lbl.gov. Проверено 7 ноября 2011 г.
- ^ Цзэн, Юго-Запад; и др. (2009). «Существенный фотоответ солнечных элементов с гомопереходом InGaN p – i – n». Полусекундный. наук. Технол . 24 (5): 055009. Бибкод : 2009SeScT..24e5009Z . дои : 10.1088/0268-1242/24/5/055009 . S2CID 97236733 .
- ^ Солнце, Х.; и др. (2008). «Фотоэлектрические характеристики структуры гетероперехода металл/InGaN/GaN». Дж. Физ. Д. 41 (16): 165108. Бибкод : 2008JPhD...41p5108S . дои : 10.1088/0022-3727/41/16/165108 . S2CID 120480676 .
- ^ Дирк В.П. Маклафлин; Дж. М. Пирс (2012). «Аналитическая модель оптических функций нитрида индия-галлия применительно к тонкопленочным солнечным фотоэлектрическим элементам». Материаловедение и инженерия: Б . 177 (2): 239–244. arXiv : 1201.2911 . дои : 10.1016/j.mseb.2011.12.008 . S2CID 95949405 .
- ^ Цао, Л.; Уайт, Дж. С.; Парк, Дж.С.; Шуллер, Дж. А.; Клеменс, Б.М.; Бронгерсма, М.Л. (2009). «Инженерное поглощение света в полупроводниковых нанопроволочных устройствах». Природные материалы . 8 (8): 643–647. Бибкод : 2009NatMa...8..643C . дои : 10.1038/nmat2477 . ПМИД 19578337 .
- ^ С. Китинг; М.Г. Уркарт; DVP Маклафлин; Дж. М. Пирс (2011). «Влияние температуры подложки на рост кристаллов наноколонки нитрида индия-галлия» . Рост и дизайн кристаллов . 11 (2): 565–568. arXiv : 1203.0645 . дои : 10.1021/cg101450n . S2CID 53506014 .
- ^ Чернс, Д.; Вебстер, РФ; Новиков С.В.; Фоксон, Коннектикут; Фишер, AM; Понсе, ФА; Хей, SJ (2014). «Вариации состава наностержней In0,5Ga0,5N, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии» . Нанотехнологии . 25 (21): 215705. Бибкод : 2014Nanot..25u5705C . дои : 10.1088/0957-4484/25/21/215705 . ПМИД 24785272 .
- ^ «Управляемый рост кристаллов атомного слоя — это «прорыв» в области эффективности солнечных элементов» . КурцвейлАИ . Проверено 31 октября 2013 г.
- ^ Фишер, AM; Вэй, Йо; Понсе, ФА; Мозли, М.; Ганнинг, Б.; Дулитл, Вашингтон (2013). «Высоколюминесцентная пленка InGaN с высоким содержанием индия, однородного состава и полной релаксации напряжений несоответствия» . Письма по прикладной физике . 103 (13): 131101. Бибкод : 2013АпФЛ.103м1101Ф . дои : 10.1063/1.4822122 .
- ^ ДВ Шенай-Хатхате; Р. Гойетт; Р.Л. ДиКарло; Дж. Дриппс (2004). «Вопросы окружающей среды, здоровья и безопасности для источников, используемых при выращивании сложных полупроводников методом MOVPE». Журнал роста кристаллов . 1–4 (1–4): 816–821. Бибкод : 2004JCrGr.272..816S . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007 .