Нитрид галлия-индия: свойства, применение и перспективы.

Введение

Химическое соединение

Нитрид галлия-индия (InGaN, |In {x}Ga {1−x}N|auto=1) — полупроводниковый материал, состоящий из смеси нитрида галлия (GaN) и нитрида индия (InN). Это тройной полупроводник группы III/V с прямой запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны может быть изменена путем варьирования количества индия в сплаве. InxGa1−xN имеет прямую запрещенную зону в диапазоне от инфракрасного (0,69 эВ) для InN до ультрафиолетового (3,4 эВ) для GaN. Соотношение In/Ga обычно находится в пределах от 0,02/0,98 до 0,3/0,7.

Светодиоды

Нитрид индия-галлия является светоизлучающим слоем в современных синих и зеленых светодиодах и часто выращивается на буфере из GaN на прозрачной подложке, такой как, например, сапфир или карбид кремния. Он обладает высокой теплоемкостью и низкой чувствительностью к ионизирующему излучению (как и другие нитриды III группы), что делает его потенциально подходящим материалом для солнечных фотоэлектрических устройств, в частности для массивов для спутников. Теоретически предсказано, что спинодальный распад нитрида индия должен происходить при составах от 15% до 85%, приводя к областям или кластерам InGaN, обогащенным индием и галлием. Однако в экспериментальных исследованиях локальной структуры наблюдалась лишь слабая сегрегация фаз. Другие экспериментальные результаты, полученные с использованием катодолюминесценции и возбужденной фотолюминесценции на многоквантовых ямах InGaN с низким содержанием индия, показали, что при корректных материальных параметрах сплавов InGaN/GaN теоретические подходы, применяемые к системам AlGaN/GaN, также применимы к наноструктурам InGaN. GaN – материал с высокой концентрацией дефектов, с типичной плотностью дислокаций, превышающей 108 см−2. Ожидается, что светоизлучение от слоев InGaN, выращенных на таких буферах GaN, используемых в синих и зеленых светодиодах, будет ослаблено из-за нерадиационной рекомбинации на этих дефектах. Тем не менее, квантовые ямы InGaN являются эффективными излучателями света в зеленых, синих, белых и ультрафиолетовых светодиодах и диодных лазерах. Области, обогащенные индием, имеют меньшую ширину запрещенной зоны, чем окружающий материал, и создают области пониженной потенциальной энергии для носителей заряда. Электронно-дырочные пары захватываются в них и рекомбинируют с излучением света, вместо того чтобы диффундировать к кристаллическим дефектам, где рекомбинация является нерадиационной. Кроме того, самосогласованное компьютерное моделирование показало, что радиационная рекомбинация сосредоточена в областях, богатых индием. 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/0,8Ga, синего 440 нм для 0,3In/0,7Ga и до красного при более высоких соотношениях, а также толщиной слоев InGaN, которая обычно находится в диапазоне 2–3 нм. Однако результаты атомистического моделирования показали, что энергия излучения имеет незначительную зависимость от небольших изменений размеров устройства. Исследования, основанные на моделировании устройств, показали, что можно повысить эффективность светодиодов InGaN/GaN с помощью инженерии запрещенной зоны, особенно для зеленых светодиодов.

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.

Фотоэлектричество

Возможность проведения инженерии запрещенной зоны с использованием InGaN в диапазоне, обеспечивающем хорошее спектральное соответствие солнечному свету, делает InGaN подходящим для солнечных фотоэлектрических преобразователей. Возможно выращивание нескольких слоев с различными запрещенными зонами, поскольку материал относительно нечувствителен к дефектам, возникающим из-за несоответствия решеток между слоями. Двухслойный многопереходный элемент с запрещенными зонами 1,1 эВ и 1,7 эВ может достичь теоретической максимальной эффективности 50%, а при осаждении нескольких слоев, настроенных на широкий диапазон запрещенных зон, теоретически ожидается эффективность до 70%. Значительная фоточувствительность была получена от экспериментальных однопереходных устройств на основе InGaN. Помимо контроля оптических свойств, что приводит к инженерии запрещенной зоны, производительность фотоэлектрического устройства может быть улучшена за счет инженерии микроструктуры материала для увеличения оптического пути и обеспечения улавливания света. Выращивание наноколонок на устройстве может дополнительно привести к резонансному взаимодействию со светом, и наноколонки InGaN были успешно осаждены с использованием плазменно-усиленной эпитаксии. Рост нанопроволок также может быть полезен для уменьшения числа краевых дислокаций, которые могут служить ловушками заряда, снижая эффективность солнечных элементов.

Металломодулируемая эпитаксия позволяет контролировать атомный послойный рост тонких пленок с почти идеальными характеристиками благодаря релаксации напряжения на первом атомном слое. Структура кристаллической решетки выстраивается, напоминая идеальный кристалл, с соответствующей люминесценцией. Содержание индия в кристалле варьировалось от x ~ 0,22 до 0,67. Значительное улучшение кристаллического качества и оптических свойств наблюдалось при x ~ 0,6. Пленки выращивались при ~400 °C для облегчения внедрения индия и с модуляцией прекурсоров для улучшения морфологии поверхности и диффузии металлического слоя. Эти результаты должны способствовать разработке технологий выращивания нитридных полупроводников в условиях высокой несовместимости решеток.

Квантовые гетероструктуры

Квантовые гетероструктуры часто изготавливаются из GaN с активными слоями InGaN. InGaN может комбинироваться с другими материалами, например, GaN, AlGaN, на подложках из SiC, сапфира и даже кремния.

Наностатья

Нанородные светодиоды InGaN – это трехмерные структуры, обладающие большей излучающей поверхностью, более высокой эффективностью и интенсивностью излучения по сравнению с планарными светодиодами.

Безопасность и токсичность

Токсикология InGaN изучена не полностью. Пыль вызывает раздражение кожи, глаз и легких. Недавно в обзоре были представлены данные об экологических, медицинских и безопасных аспектах источников нитрида галлия и индия (таких как триметилиндий, триметилгаллий и аммиак), а также об исследованиях мониторинга гигиены труда при использовании стандартных источников MOVPE.