Azotek galu indu - Indium gallium nitride
Azotek galu indu ( InGaN , In x Ga 1 − x N ) jest materiałem półprzewodnikowym wykonanym z mieszanki azotku galu (GaN) i azotku indu (InN). Jest trójskładnikowy grupa III / V grupy bezpośredni pasmo wzbronione półprzewodnikowych . Jego pasmo wzbronione można regulować, zmieniając ilość indu w stopie. In x Ga 1 − x N ma bezpośrednie pasmo wzbronione od podczerwieni (0,69 eV) dla InN do ultrafioletu (3,4 eV) GaN. Stosunek In / Ga zwykle wynosi od 0,02 / 0,98 do 0,3 / 0,7.
Aplikacje
Diody LED
Azotek galu indu jest warstwą emitującą światło w nowoczesnych niebieskich i zielonych diodach LED i często rośnie na buforze GaN na przezroczystym podłożu, takim jak np. Szafir lub węglik krzemu . Ma wysoką pojemność cieplną, a jego wrażliwość na promieniowanie jonizujące jest niewielka (podobnie jak inne azotki grupy III ), co czyni go również potencjalnie odpowiednim materiałem do słonecznych urządzeń fotowoltaicznych , w szczególności dla paneli satelitarnych .
Teoretycznie przewiduje się, że spinodalny rozkład azotku indu powinien nastąpić dla kompozycji pomiędzy 15% a 85%, prowadząc do regionów lub klastrów InGaN bogatych w In i Ga. Jednak w eksperymentalnych badaniach struktury lokalnej zaobserwowano jedynie słabą segregację faz . Inne wyniki eksperymentalne wykorzystujące katodoluminescencję i wzbudzanie fotoluminescencyjne w odwiertach wielokantowych InGaN o niskiej zawartości InGaN wykazały, że przy zapewnieniu prawidłowych parametrów materiałowych stopów InGaN / GaN, teoretyczne podejście do systemów AlGaN / GaN ma również zastosowanie do nanostruktur InGaN.
GaN jest materiałem wad bogaty w typowych gęstości dyslokacji powyżej 10 8 cm -2 . Oczekuje się, że emisja światła z warstw InGaN wyhodowanych na takich buforach GaN stosowanych w niebieskich i zielonych diodach LED zostanie osłabiona z powodu rekombinacji niepromienistej w takich defektach. Niemniej studnie kwantowe InGaN są wydajnymi emiterami światła w diodach emitujących światło zielone, niebieskie, białe i ultrafioletowe oraz laserach diodowych . Obszary bogate w ind mają niższy pasmo wzbronione niż otaczający materiał i tworzą obszary o zmniejszonej energii potencjalnej dla nośników ładunku. Pary elektron-dziura są tam uwięzione i rekombinują z emisją światła, zamiast dyfundować do defektów kryształów, gdzie rekombinacja jest niepromienista. Również samouzgodnione symulacje komputerowe wykazały, że rekombinacja radiacyjna koncentruje się tam, gdzie regiony są bogate w ind.
Długość fali emitowanej, w zależności od pasma wzbronionego materiału, można kontrolować za pomocą stosunku GaN / InN, od bliskiego ultrafioletu dla 0,02In / 0,98Ga do 390 nm dla 0,1In / 0,9Ga, fioletowo-niebieskiego 420 nm dla 0,2In / 0,8 Ga, do niebieskiego 440 nm dla 0,3 In / 0,7 Ga, do czerwonego dla wyższych współczynników, a także przez grubość warstw InGaN, które zwykle mieszczą się w zakresie 2–3 nm . Jednak wyniki symulacji atomistycznych wykazały, że energie emisji mają niewielką zależność od niewielkich zmian wymiarów urządzenia. Badania oparte na symulacji urządzenia wykazały, że możliwe jest zwiększenie wydajności diod LED InGaN / GaN przy użyciu inżynierii pasma wzbronionego, zwłaszcza w przypadku zielonych diod LED.
Fotowoltaika
Zdolność do wykonywania inżynierii pasma wzbronionego za pomocą InGaN w zakresie zapewniającym dobre dopasowanie widmowe do światła słonecznego, sprawia, że InGaN nadaje się do ogniw fotowoltaicznych . Możliwe jest wyhodowanie wielu warstw z różnymi przerwami wzbronionymi, ponieważ materiał jest stosunkowo niewrażliwy na wady wprowadzone przez niedopasowanie siatki między warstwami. Dwuwarstwowe ogniwo wielozłączowe z pasmami wzbronionymi 1,1 eV i 1,7 eV może osiągnąć teoretyczną 50% maksymalnej wydajności, a przez osadzenie wielu warstw dostrojonych do szerokiego zakresu pasm wzbronionych teoretycznie oczekuje się wydajności do 70%.
Istotną odpowiedź foto uzyskano z eksperymentalnych urządzeń jednozłączowych InGaN. Oprócz kontrolowania właściwości optycznych, co skutkuje inżynierią pasma wzbronionego, wydajność urządzenia fotowoltaicznego można poprawić, modyfikując mikrostrukturę materiału w celu zwiększenia długości ścieżki optycznej i zapewnienia pułapki światła. Rosnące nanokolumny na urządzeniu mogą dodatkowo skutkować rezonansową interakcją ze światłem, a nanokolumny InGaN zostały pomyślnie osadzone na SiO
2 przy użyciu parowania wspomaganego plazmą. Wzrost nanoprętów może być również korzystny w zmniejszaniu przemieszczeń kroczących, które mogą działać jako pułapki ładunkowe zmniejszające wydajność ogniwa słonecznego
Epitaksja modulowana metalem umożliwia kontrolowany atomowy wzrost warstwy po warstwie cienkich warstw o niemal idealnej charakterystyce, którą umożliwia relaksacja naprężeń na pierwszej warstwie atomowej. Struktury kratowe kryształu pasują do siebie, przypominając idealny kryształ, z odpowiednią jasnością. Kryształ miał zawartość indu w zakresie od x ∼ 0,22 do 0,67. Znacząca poprawa jakości krystalicznej i właściwości optycznych rozpoczęła się przy x ∼ 0,6. Folie hodowano w ~ 400 ° C w celu ułatwienia inkorporacji indu oraz z modulacją prekursora w celu poprawy morfologii powierzchni i dyfuzji metalowej warstwy adhezyjnej. Odkrycia te powinny przyczynić się do rozwoju technik wzrostu dla półprzewodników azotkowych w warunkach niedopasowania dużej sieci.
Heterostruktury kwantowe
Heterostruktury kwantowe są często budowane z GaN z warstwami aktywnymi InGaN. InGaN można łączyć z innymi materiałami, np. GaN , AlGaN , na SiC , szafirze, a nawet krzemie .
Bezpieczeństwo i toksyczność
Toksykologia InGaN nie została w pełni zbadana. Pył działa drażniąco na skórę, oczy i płuca. Te środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa Aspekty indu azotku galu źródeł (takich jak trimethylindium , trimetylogalu i amoniaku ) oraz higieny Badania monitoringowe standardowych MOVPE źródeł odnotowano ostatnio w przeglądzie.