אינדיום גליום ניטריד

תרכובת

אינדיום גליום ניטריד (InGaN, InxGa1−xN) הוא סגסוגת מוליכה למחצה העשויה מתערובת של גליום ניטריד (GaN) ואינדיום ניטריד (אנ') (InN). הפער האסור של הסגסוגת הוא פער פסים ישיר (אנ'). הוא ניתן לכוונון על ידי שינוי בכמות היחסית של האינדיום לגליום בסגסוגת, מהאינפרא אדום (0.69 eV) ב-InN לאולטרה סגול (3.4 eV) ב-GaN. היחס בין In / Ga הוא בדרך כלל בין 0.02 / 0.98 ל־0.3 / 0.7.[1]

InGaN לד כחול (380–405 ננומטר)
ספקטרום של נורית אור לבן בה המקורות הכחולים של GaN או InGaN שואבים זרחן Ce: YAG

יישומים עריכה

דיודות פולטות אור עריכה

גליום ניטריד אינדיום הוא השכבה פולטת האור בדיודות כחולות וירוקות מודרניות ולעיתים קרובות מגודל על חיץ GaN על מצע שקוף, כמו למשל ספיר או סיליקון קרביד. יש לו קיבול חום גבוה והרגישות שלו לקרינה מייננת נמוכה (כמו ניטרידים אחרים בקבוצה III), מה שהופך אותו לחומר שעשוי להתאים למכשירים פוטו-וולטאיים סולאריים, במיוחד עבור מערכים לוויינים.

ניתן לחזות תאורטית כי פירוק ספינודלי של אינדיום ניטריד צריך להתרחש עבור קומפוזיציות בין 15% ל-85%, מה שמוביל לאזורי InGaN או אשכולות עשירים בגליום ועשירים באינדיום. עם זאת, רק הפרדה בשלב חלש נצפתה במחקרי מבנה מקומי ניסיוניים.[2] תוצאות ניסוי אחרות המשתמשות בקתודולומינציה ועירוי פוטולומינטי על בארות קוונטים מרובים שה-InGaN בתוכן נמוך, הוכיחו כי מתן פרמטרים חומריים נכונים של סגסוגות InGaN / GaN, גישות תאורטיות עבור מערכות AlGaN / GaN, חלות גם על ננו-מבנים של InGaN.[3]

GaN הוא חומר עשיר במומים עם צפיפות פריקה אופיינית[4] העולה על 108 ס"מ 2-. פליטת אור משכבות InGaN שגדלו על מאגרי GaN כאלה המשמשים בדיודות LED בצבע כחול וירוק, צפויה להיות מושמצת בגלל שילוב לא מקרין בפגמים כאלה.[5] אף על פי כן, בארות קוונטים של InGaN הם פולטי אור יעילים של אור ירוק, כחול, לבן ודיודות פולטות אור על-סגול ודיודות לייזר.[6][7][8] האזורים העשירים באינדיום הם בעלי פער אסור נמוך יותר מהחומר שמסביב ויוצרים אזורים בעלי אנרגיה פוטנציאלית מופחתת עבור נשאי מטען. זוגות חור של אלקטרונים נלכדים שם ומשתלבים מחדש עם פליטת אור, במקום להתפזר לפגמים גבישיים שבהם השילוב אינ מקרין. כמו כן, הדמיות מחשב עקביות עם עצמן (self-consistent) הראו כי שילוב קרינתי ממוקד באזורים עשירים באינדיום.[9]

ניתן לשלוט באורך הגל הנפלט, שתלוי בפער האסור של החומר, על ידי יחס ה-GaN / InN, מקרוב לאולטרה סגול עבור 0.02In / 0.98Ga עד 390 ננומטר עבור 0.1In / 0.9Ga, סגול-כחול 420 ננומטר עבור 0.2In / 0.8Ga, לכחול 440 ננומטר עבור 0.3In / 0.7Ga, לאדום ביחס גבוה יותר וגם לפי עובי שכבות ה-InGaN הנמצאות בדרך כלל בטווח של 2–3 נאנומטר.[דרוש מקור][מפני ש...] עם זאת, תוצאות הסימולציות האטומיסטיות הראו כי לאנרגיות הפליטה יש תלות קלה בווריאציות קטנות של מידות המכשיר.[10] מחקרים שהתבססו על הדמיית מכשירים הראו כי ניתן יהיה להגדיל את יעילות ה-InGaN / GaN LED באמצעות הנדסת פער הפס, במיוחד עבור דיודות LED ירוקות.[11]

פוטו-וולטאיקה עריכה

היכולת לבצע הנדסת פערי פס עם InGaN בטווח המספק התאמה ספקטרלית טובה לאור השמש, הופכת את InGaN לתאים פוטו-וולטאיים סולאריים טובים.[12][13] אפשר לגדל שכבות מרובות עם פערי פס שונים, מכיוון שהחומר לא רגיש יחסית לפגמים שהוצגו על ידי אי התאמה של הסריג בין השכבות. תא רב-צמתי דו-שכבתי עם פערי פס של 1.1 eV ו-1.7 eV יכול להשיג יעילות מקסימלית של 50% תאורטית, ועל ידי הפקדת שכבות מרובות המותאמות למגוון רחב של פערי פס, צפויה תאורטית יעילות של עד 70%.[14]

תגובת פוטונית משמעותית הושגה ממכשירי InGaN חד-צמתי ניסיוניים.[15][16] בנוסף לשליטה בתכונות האופטיות,[17] שמביאה להנדסת פער הפס, ניתן לשפר את ביצועי המכשירים הפוטוולטאיים על ידי הנדסת המבנה המיקרוסקופי של החומר כדי להגדיל את אורך הנתיב האופטי ולספק לכידת אור. גידול ננו-עמודים במכשיר יכול להביא להוסיף לאינטראקציה מהדהדת עם אור,[18] וננו-עמודים של InGaN הופקדו בהצלחה ב- SiO2 באמצעות אידוי משופר בפלזמה.[19] גידול ננו-מוטות (nanorod) עשוי להועיל גם בהפחתת העקירות הטורדניות אשר עשויות לשמש כמלכודות טעינה המפחיתות את יעילות תאי השמש.[20]

אפיטקסיה שמווסתת על ידי מתכת מאפשרת צמיחה אטומית מבוקרת, שכבה אחרי שכבה, של סרטים דקים עם מאפיינים כמעט אידיאליים המאפשרים רגיעה במתח בשכבה האטומית הראשונה. מבני הסריג של הגביש מתאימים זה לזה, ודומים לגביש מושלם, עם התאורה המתאימה. לגביש היה תוכן אינדיום שנע בין x ∼ 0.22 ל־0.67. שיפור משמעותי באיכות הגבישית ובתכונות האופטיות החל ב-x ∼ 0.6. הסרטים גודלו ב -400 מעלות צלזיוס כדי להקל על שילוב אינדיום ועם אפנון מקדים לשיפור מורפולוגיית פני השטח והתפשטות המתכת. ממצאים אלה צריכים לתרום להתפתחות של טכניקות גידול למוליכים למחצה של ניטריד בתנאי התאמה לא טובים של הסריג.[21][22]

הטרו-מבנים קוונטים עריכה

מבנים הטרו-מבניים קוונטיים בנויים לרוב מ-GaN עם שכבות פעילות של InGaN. ניתן לשלב את InGaN עם חומרים אחרים, למשל GaN, AlGaN, ב-SiC, ספיר ואפילו סיליקון.

בטיחות ורעילות עריכה

הרעלנים של InGaN לא נחקרו במלואה. האבק מגרה עור, עיניים וריאות. ההיבטים הסביבתיים, הבריאותיים והבטיחותיים של מקורות גליום ניטריד אינדיום (כגון trimethylindium, trimethylgallium ואמוניה) ומחקרים על ניטור גיהות תעשייתית לסטנדרטים של מקורות MOVPE דווחו בסקירה מ-2004.[23]

קישורים חיצוניים עריכה

הערות שוליים עריכה

  1. ^ Linti, G. "The Group 13 Metals Aluminium, Gallium, Indium and Thallium. Chemical Patterns and Peculiarities. Edited by Simon Aldridge and Anthony J. Downs.Angew. Chem". Angewandte Chemie International Edition. 50: 11569. doi:10.1002/anie.201105633.
  2. ^ V. Kachkanov; K.P. O’Donnell; S. Pereira; R.W. Martin (2007). "Localization of excitation in InGaN epilayers". Phil. Mag. 87 (13): 1999–2017. doi:10.1080/14786430701342164.
  3. ^ A. Reale1, A. Di Carlo, A. Vinattieri, M. Colocci, F. Rossi, N. Armani, C. Ferrari, G. Salviati, L. Lazzarini, V. Grillo (2005). "Investigation of the recombination dynamics in low In-content InGaN MQWs by means of cathodoluminescence and photoluminescence excitation". Physica Status Solidi C. 2 (2): 817–821. Bibcode:2005PSSCR...2..817R. doi:10.1002/pssc.200460305.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  4. ^ Rak Jun Choi, Hyung Jae Lee, Yoon-bong Hahn, Hyung Koun Cho (2004). "Structural and optical properties of InGaN/GaN triangular-shape quantum wells with different threading dislocation densities". Korean Journal of Chemical Engineering. 21: 292–295. doi:10.1007/BF02705411.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  5. ^ P. G. Eliseev. "Radiative processes in InGaN quantum wells".
  6. ^ Liang-Yi Chen; Ying-Yuan Huang; Chun-Hsiang Chang; Yu-Hsuan Sun; Yun-Wei Cheng; Min-Yung Ke; Cheng-Pin Chen; JianJang Huang (2010). "High performance InGaN/GaN nanorod light emitting diode arrays fabricated by nanosphere lithography and chemical mechanical polishing processes". Optics Express. 18 (8): 7664. Bibcode:2010OExpr..18.7664C. doi:10.1364/OE.18.007664.
  7. ^ HJ Chang; et alter. "Strong luminescence from strain relaxed InGaN/GaN nanotips for highly efficient light emitters" (PDF). נבדק ב-20 בספטמבר 2013. {{cite web}}: (עזרה)
  8. ^ C Skierbiszewski1,2, P Perlin1,2, I Grzegory, Z R Wasilewski, M Siekacz, A Feduniewicz, P Wisniewski, J Borysiuk, P Prystawko, G Kamler, T Suski and S Porowski (2005). "High power blue–violet InGaN laser diodes grown on bulk GaN substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy". Semiconductor Science and Technology. 20 (8): 809–813. Bibcode:2005SeScT..20..809S. doi:10.1088/0268-1242/20/8/030.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  9. ^ F. Sacconi, M. Auf der Maur, A. Pecchia, M. Lopez, A. Di Carlo. "Optoelectronic properties of nanocolumnar InGaN/GaN quantum disk LEDs" (2012). "Optoelectronic properties of nanocolumnar InGaN/GaN quantum disk LEDs". Physica Status Solidi C. 9 (5): 1315–1319. Bibcode:2012PSSCR...9.1315S. doi:10.1002/pssc.201100205.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  10. ^ M. Lopez, F. Sacconi, M. Auf der Maur, A. Pecchia, A. Di Carlo. "Atomistic simulation of InGaN/GaN quantum disk LEDs" (2012). "Atomistic simulation of InGaN/GaN quantum disk LEDs". Optical and Quantum Electronics. 44 (3): 89–94. doi:10.1007/s11082-012-9554-3.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link)
  11. ^ M. Auf der Maur, K. Lorenz and A. Di Carlo. "Band gap engineering approaches to increase InGaN/GaN LED efficiency" (2012). "Band gap engineering approaches to increase InGaN/GaN LED efficiency". Physica Status Solidi C. 44 (3–5): 83–88. doi:10.1007/s11082-011-9536-x.
  12. ^ McLaughlin, D.V.P.; Pearce, J.M. (2013). "Progress in Indium Gallium Nitride Materials for Solar Photovoltaic Energy Conversion". Metallurgical and Materials Transactions A. 44 (4): 1947–1954. Bibcode:2013MMTA...44.1947M. doi:10.1007/s11661-013-1622-1.
  13. ^ Bhuiyan, A.; Sugita, K.; Hashimoto, A.; Yamamoto, A. (2012). "InGaN Solar Cells: Present State of the Art and Important Challenges". IEEE Journal of Photovoltaics. 2 (3): 276–293. doi:10.1109/JPHOTOV.2012.2193384.
  14. ^ A nearly perfect solar cell, part 2. Lbl.gov. Retrieved on 2011-11-07.
  15. ^ Zeng, S. W.; et al. (2009). "Substantial photo-response of InGaN p–i–n homojunction solar cells". Semicond. Sci. Technol. 24 (5): 055009. Bibcode:2009SeScT..24e5009Z. doi:10.1088/0268-1242/24/5/055009.
  16. ^ Sun, X.; et al. (2008). "Photoelectric characteristics of metal/InGaN/GaN heterojunction structure". J. Phys. D. 41 (16): 165108. Bibcode:2008JPhD...41p5108S. doi:10.1088/0022-3727/41/16/165108.
  17. ^ Dirk V. P. McLaughlin; J.M. Pearce (2012). "Analytical Model for the Optical Functions of Indium Gallium Nitride with Application to Thin Film Solar Photovoltaic Cells". Materials Science and Engineering: B. 177 (2): 239–244. arXiv:1201.2911. doi:10.1016/j.mseb.2011.12.008.
  18. ^ Cao, L.; White, J. S.; Park, J. S.; Schuller, J. A.; Clemens, B. M.; Brongersma, M. L. (2009). "Engineering light absorption in semiconductor nanowire devices". Nature Materials. 8 (8): 643–647. Bibcode:2009NatMa...8..643C. doi:10.1038/nmat2477. PMID 19578337.
  19. ^ S. Keating; M.G. Urquhart; D.V.P. McLaughlin; J.M. Pearce (2011). "Effects of Substrate Temperature on Indium Gallium Nitride Nanocolumn Crystal Growth". Crystal Growth & Design. 11 (2): 565–568. arXiv:1203.0645. doi:10.1021/cg101450n.
  20. ^ Cherns, D.; Webster, R. F.; Novikov, S. V.; Foxon, C. T.; Fischer, A. M.; Ponce, F. A.; Haigh, S. J. (2014). "Compositional variations in In0.5Ga0.5N nanorods grown by molecular beam epitaxy". Nanotechnology. 25 (21): 215705. doi:10.1088/0957-4484/25/21/215705free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
  21. ^ "Controlled atomic-layer crystal growth is 'breakthrough' for solar-cell efficiency". KurzweilAI. נבדק ב-2013-10-31.
  22. ^ Fischer, A. M.; Wei, Y. O.; Ponce, F. A.; Moseley, M.; Gunning, B.; Doolittle, W. A. (2013). "Highly luminescent, high-indium-content InGaN film with uniform composition and full misfit-strain relaxation". Applied Physics Letters. 103 (13): 131101. Bibcode:2013ApPhL.103m1101F. doi:10.1063/1.4822122.
  23. ^ D V Shenai-Khatkhate; R Goyette; R L DiCarlo; G Dripps (2004). "Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors". Journal of Crystal Growth. 1–4 (1–4): 816–821. Bibcode:2004JCrGr.272..816S. doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007.