Индий-галлий нитриді: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Химиялық қосылыс

Индиум галлий нитриді (InGaN, |In {x}Ga {1−x}N|auto=1) – галлий нитриді (GaN) және индий нитриді (InN) қоспасынан жасалған жартылай өткізгіш материал. Бұл III/V топтағы үштік тікелей жолақты жартылай өткізгіш. Оның жолақты арақашықтығы қорытпадағы индий мөлшерін өзгерту арқылы реттелуі мүмкін. InxGa1−xN тікелей жолақты аралығы InN үшін инфрақызыл (0,69 эВ) және GaN үшін ультракөк сәуле (3,4 эВ) аралығында өзгереді. In/Ga арақатынасы әдетте 0,02/0,98 және 0,3/0,7 аралығында болады.

Жарық диодтар

Индиум галлий нитриді – қазіргі заманғы көк және жасыл светодиодтардағы жарық шығаратын қабат және көбінесе сапфир немесе кремний карбиді сияқты мөлдір субстратқа GaN буферінің үстіне өсіріледі. Ол жоғары жылу сыйымдылығына ие және иондаушы сәулеленуге төмен сезімталдық көрсетеді (басқа III топтағы нитридтер сияқты), бұл оны күн фотоэлектр құрылғыларына, әсіресе спутниктерге арналған тізімдерге де ыңғайлы материал етеді. Теориялық тұрғыдан алғанда, индий нитридінің спинодалды ыдырауы 15%-тан 85%-ға дейінгі құрамдарда жүзеге асуы керек, нәтижесінде In-ға бай және Ga-ға бай InGaN аймақтары немесе кластерлері пайда болады. Дегенмен, эксперименталды жергілікті құрылымдық зерттеулерде тек әлсіз фазалық бөліну байқалды. InGaN/GaN қорытпаларының дұрыс материалдық параметрлерін қамтамасыз ету арқылы, InGaN/GaN жүйелеріне арналған теориялық тәсілдер InGaN наноқұрылымдарына да қолданылатынын көрсеткен, аз индийлі InGaN көп кванттық құдықтарында катодолюминесценция және фотолюминесценция қоздыруын пайдаланатын басқа да эксперименталдық нәтижелер бар. GaN – бұл 108 см-2-ден аспайтын типтік дислокациялық тығыздыққа ие, ақауларға толы материал. Көк және жасыл светодиодтарда қолданылатын мұндай GaN буферлерінде өсірілген InGaN қабаттарынан шығатын жарық, осындай ақаулардағы сәуле шығармайтын рекомбинациядан туындап, әлсіреуі күтіледі. Дегенмен, InGaN кванттық құдықтары жасыл, көк, ақ және ультракөк жарық шығаратын диодтар мен диодты лазерлерде тиімді жарық шығарушылар болып табылады. Индиумға бай аймақтардың энергиялық шығыңы қоршаған материалға қарағанда төмен, бұл заряд тасымалдаушылар үшін төмен потенциалдық энергия аймақтарын жасайды. Электрон-тесік жұптары сонда тұтқындалып, жарық сәулесін шығару арқылы рекомбинацияланады, кристалдық ақауларға таралудың орнына, онда рекомбинация сәуле шығармайды. Сонымен қатар, өзіне сәйкес компьютерлік симуляциялар, сәуле шығаратын рекомбинацияның индийге бай аймақтарда шоғырланғанын көрсетті. Материалдың энергиялық шығыңына байланысты шығарылатын толқын ұзындығын GaN/InN қатынасымен реттеуге болады: 0.02In/0.98Ga үшін жақын ультракөк, 0.1In/0.9Ga үшін 390 нм, 0.2In/0.8Ga үшін күлдір-көк 420 нм, 0.3In/0.7Ga үшін көк 440 нм, жоғары қатынастар үшін қызыл және InGaN қабаттарының қалыңдығымен (әдетте 2–3 нм диапазонында) реттеуге болады. Дегенмен, атомдық симуляциялардың нәтижелері, сәуле шығару энергиясының құрылғы өлшемдерінің шағын өзгерістеріне аздап тәуелді екенін көрсетті. Құрылғыны модельдеуге негіделген зерттеулер, әсіресе жасыл светодиодтар үшін, энергиялық шығыңды инженерлік қолдану арқылы InGaN/GaN светодиодының тиімділігін арттыруға болады екенін көрсетті.

Indium gallium nitride is the light emitting layer in modern blue and green LEDs and often grown on a GaN buffer on a transparent substrate as, e. g. sapphire or silicon carbide. It has a high heat capacity and its sensitivity to ionizing radiation is low (like other group III nitrides), making it also a potentially suitable material for solar photovoltaic devices, specifically for arrays for satellites. It is theoretically predicted that spinodal decomposition of indium nitride should occur for compositions between 15% and 85%, leading to In rich and Ga rich InGaN regions or clusters. However, only a weak phase segregation has been observed in experimental local structure studies. Other experimental results using cathodoluminescence and photoluminescence excitation on low In content InGaN multi quantum wells have demonstrated that providing correct material parameters of the InGaN/GaN alloys, theoretical approaches for AlGaN/GaN systems also apply to InGaN nanostructures. GaN is a defect rich material with typical dislocation densities exceeding 108 cm−2. Light emission from InGaN layers grown on such GaN buffers used in blue and green LEDs is expected to be attenuated because of non radiative recombination at such defects. Nevertheless, InGaN quantum wells, are efficient light emitters in green, blue, white and ultraviolet light emitting diodes and diode lasers. The indium rich regions have a lower bandgap than the surrounding material and create regions of reduced potential energy for charge carriers. Electron hole pairs are trapped there and recombine with emission of light, instead of diffusing to crystal defects where the recombination is non radiative. Also, self consistent computer simulations have shown that radiative recombination is focused where regions are rich of indium. The emitted wavelength, dependent on the material's band gap, can be controlled by the GaN/InN ratio, from near ultraviolet for 0.02In/0.98Ga through 390 nm for 0.1In/0.9Ga, violet blue 420 nm for 0.2In/0.8Ga, to blue 440 nm for 0.3In/0.7Ga, to red for higher ratios and also by the thickness of the InGaN layers which are typically in the range of 2–3 nm. However, atomistic simulations results have shown that emission energies have a minor dependence on small variations of device dimensions. Studies based on device simulation have shown that it could be possible to increase InGaN/GaN LED efficiency using band gap engineering, especially for green LEDs.

Фотоэлектрлік

Ингаанмен жолақтық инженерлік жасау мүмкіндігі, күн сәулесімен жақсы спектрлік үйлесімді қамтамасыз етеді, бұл Ингаанды күн фотоэлектрлік жасушалар үшін қолайлы етеді. Материал қабаттар арасындағы тордың сәйкессіздігінен туындаған кемшіліктерге салыстырмалы түрде төзімді болғандықтан, әртүрлі жолақтық аралықтары бар бірнеше қабаттарды өсіруге болады. 1.1 ЭВ және 1.7 ЭВ жолақтық аралықтары бар екі қабатты көп торапты жасуша теориялық тұрғыдан 50% максималды тиімділікке жете алады, ал кең ауқымды жолақтық аралықтарға реттелген көп қабаттарды салу арқылы 70% дейін тиімділік күтілуде. Эксперименттік InGaN бір торапты құрылғыларынан айтарлықтай фотожауап алынды. Оптикалық қасиеттерді басқаруға қоса, фотоэлектрлік құрылғының өнімділігін материалдың микроқұрылымын өзгерту арқылы оптикалық жол ұзындығын арттыру және жарықты ұстау арқылы жақсартуға болады. Құрылғыда нанобағандарды өсіру жарықпен резонанстық өзара әрекеттесуге әкелуі мүмкін, ал InGaN нанобағандары плазмалық күшейтілген булану арқылы сәтті орналастырылды. Наноқұбырдың өсуі де күн жасушасының тиімділігін төмендететін заряд тұзақтары ретінде әрекет ететін, жылжымалы дислокацияларды азайтуда тиімді болуы мүмкін. Металл модуляцияланған эпитаксия, бірінші атомдық қабаттағы кернеуді босату арқылы мүмкін болатын, дерлік идеалды сипаттамалары бар жұқа пленкалардың атомдық қабат бойынша бақыланатын өсуін қамтамасыз етеді. Кристаллдың торлы құрылымы сәйкес келеді, сәйкес жарық шығарумен, мінсіз кристалға ұқсайды. Кристаллдың құрамындағы индийдің мөлшері x ~ 0.22-ден 0.67-ге дейін ауытқып отырады. Кристаллдық сапа мен оптикалық қасиеттердің айтарлықтай жақсаруы x ~ 0.6-дан басталды. Пленкалар индийді қосуды жеңілдету үшін шамамен 400 °C температурада және беткі морфологияны және металл қабатының таралуын жақсарту үшін прекурсорлық модуляциямен өсірілді. Бұл нәтижелер жоғары торлық сәйкессіздік жағдайында нитридті жартылай өткізгіштерді өсіру технологиясын дамытуға септігін тигізуі керек.

Кванттық гетероқұрылыстар

Кванттық гетероқұрылымдар көбінесе GaN-нан InGaN белсенді қабаттарымен салынады. InGaN басқа материалдармен, мысалы, GaN, AlGaN, SiC, сапфир және тіпті кремниймен үйлестірілуі мүмкін.

Наноқалқандар

InGaN нанородты светодиодтар – жазық светодиодтарға қарағанда үлкен сәуле шығару бетіне, жақсы тиімділікке және күшті жарық шығаруға ие үш өлшемді құрылымдар.

Қауіпсіздік және улану

InGaN-ның токсикологиясы толыққанды зерттелмеген. Шаң теріге, көзге және өкпеге тітіркенді әсер етеді. Индий-галлий нитридінің (триметилиндий, триметилгаллий және аммиак сияқты) көздерінің қоршаған ортаға, денсаулыққа және қауіпсіздікке қатысты аспектілері, сондай-ақ стандартты MOVPE көздерінің өндірістік гигиеналық мониторингі туралы жақында мақалада баяндалған.