Indiumgalliumnitrid - Indium gallium nitride
Indiumgalliumnitrid ( InGaN , In x Ga 1 - x N ) ist ein Halbleitermaterial aus einer Mischung von Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN). Es ist ein ternäres Gruppe III / Gruppe V Gleich Bandgap Halbleiter . Die Bandlücke kann durch Variation der Indiummenge in der Legierung eingestellt werden. In x Ga hat 1 - x N eine direkte Bandlückenspanne vom Infrarot (0,69 eV) für InN bis zum Ultraviolett (3,4 eV) von GaN. Das Verhältnis von In / Ga liegt üblicherweise zwischen 0,02 / 0,98 und 0,3 / 0,7.
Anwendungen
LEDs
Indiumgalliumnitrid ist die lichtemittierende Schicht in modernen blauen und grünen LEDs und wächst häufig auf einem GaN- Puffer auf einem transparenten Substrat wie z. B. Saphir oder Siliziumkarbid . Es hat eine hohe Wärmekapazität und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber ionisierender Strahlung (wie andere Nitride der Gruppe III ), was es auch zu einem potenziell geeigneten Material für Photovoltaik- Solargeräte macht, insbesondere für Arrays für Satelliten .
Es wird theoretisch vorausgesagt, dass bei Zusammensetzungen zwischen 15% und 85% eine spinodale Zersetzung von Indiumnitrid auftreten sollte, was zu In-reichen und Ga-reichen InGaN-Regionen oder -Clustern führt. Jedoch nur eine schwache Phase Segregation wurde in experimentellen Studien lokaler Struktur beobachtet. Andere experimentelle Ergebnisse Kathodolumineszenz und Photolumineszenz Anregung auf einem niedrigen InGaN-Gehalt unter Verwendung von Multi - Quantentöpfe haben gezeigt , dass die korrekten Materialparameter der InGaN / GaN - Legierungen, theoretische Ansätze für die AlGaN / GaN - Systeme gelten auch für InGaN - Nanostrukturen bereitgestellt wird .
GaN ist ein defektreiches Material mit typischen Versetzungsdichten von mehr als 10 8 cm −2 . Es wird erwartet, dass die Lichtemission von InGaN-Schichten, die auf solchen GaN-Puffern gewachsen sind, die in blauen und grünen LEDs verwendet werden, aufgrund der nicht strahlenden Rekombination bei solchen Defekten abgeschwächt wird. InGaN- Quantentöpfe sind jedoch effiziente Lichtemitter in grünen, blauen, weißen und ultravioletten Leuchtdioden und Diodenlasern . Die indiumreichen Regionen haben eine geringere Bandlücke als das umgebende Material und erzeugen Regionen mit reduzierter potentieller Energie für Ladungsträger. Dort werden Elektronen-Loch-Paare eingefangen und unter Emission von Licht rekombiniert, anstatt zu Kristalldefekten zu diffundieren, bei denen die Rekombination nicht strahlend ist. Selbstkonsistente Computersimulationen haben auch gezeigt, dass die Strahlungsrekombination dort fokussiert ist, wo Regionen reich an Indium sind.
Die emittierte Wellenlänge kann abhängig von der Bandlücke des Materials durch das GaN / InN-Verhältnis von nahezu ultraviolett für 0,02 In / 0,98 Ga bis 390 nm für 0,1 In / 0,9 Ga, violettblau 420 nm für 0,2 In / 0,8 gesteuert werden Ga, blau 440 nm für 0,3 In / 0,7 Ga, rot für höhere Verhältnisse und auch durch die Dicke der InGaN-Schichten, die typischerweise im Bereich von 2–3 nm liegen . Atomistische Simulationsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Emissionsenergien eine geringe Abhängigkeit von kleinen Variationen der Geräteabmessungen haben. Studien, die auf Gerätesimulationen basieren, haben gezeigt, dass es möglich sein könnte, die InGaN / GaN-LED-Effizienz mithilfe der Bandlückentechnik zu erhöhen, insbesondere für grüne LEDs.
Photovoltaik
Die Fähigkeit, Bandgap Engineering mit InGaN über einen Bereich durchzuführen, der eine gute spektrale Anpassung an das Sonnenlicht bietet, macht InGaN für Solar-Photovoltaikzellen geeignet . Es ist möglich, mehrere Schichten mit unterschiedlichen Bandlücken zu züchten, da das Material relativ unempfindlich gegenüber Defekten ist, die durch eine Gitterfehlanpassung zwischen den Schichten verursacht werden. Eine zweischichtige Mehrfachübergangszelle mit Bandlücken von 1,1 eV und 1,7 eV kann einen theoretischen Wirkungsgrad von 50% erreichen, und durch Abscheiden mehrerer Schichten, die auf einen weiten Bereich von Bandlücken abgestimmt sind, wird theoretisch ein Wirkungsgrad von bis zu 70% erwartet.
Eine signifikante Lichtantwort wurde von experimentellen InGaN-Einzelübergangsvorrichtungen erhalten. Zusätzlich zur Steuerung der optischen Eigenschaften, die zu einer Bandlückentechnik führen, kann die Leistung von Photovoltaikgeräten verbessert werden, indem die Mikrostruktur des Materials so konstruiert wird, dass die optische Weglänge erhöht und Licht eingefangen wird. Wachsende Nanosäulen auf der Vorrichtung können ferner zu einer resonanten Wechselwirkung mit Licht führen, und InGaN-Nanosäulen wurden erfolgreich auf SiO abgeschieden
2 unter Verwendung von plasmaunterstützter Verdampfung. Das Wachstum von Nanostäben kann auch bei der Verringerung von Profilversetzungen vorteilhaft sein, die als Ladungsfallen wirken können und die Effizienz von Solarzellen verringern
Die metallmodulierte Epitaxie ermöglicht ein kontrolliertes Schicht-für-Schicht-Wachstum von Dünnfilmen mit nahezu idealen Eigenschaften, die durch Spannungsrelaxation an der ersten Atomschicht ermöglicht werden. Die Gitterstrukturen des Kristalls stimmen überein und ähneln einem perfekten Kristall mit entsprechender Leuchtkraft. Der Kristall hatte einen Indiumgehalt im Bereich von x ≤ 0,22 bis 0,67. Eine signifikante Verbesserung der Kristallqualität und der optischen Eigenschaften begann bei x ≤ 0,6. Filme wurden bei ~ 400 ° C gezüchtet, um den Einbau von Indium zu erleichtern, und mit Vorläufermodulation, um die Oberflächenmorphologie und die Diffusion der Metallschicht zu verbessern. Diese Ergebnisse sollten zur Entwicklung von Wachstumstechniken für Nitridhalbleiter unter Bedingungen mit hoher Gitterfehlanpassung beitragen.
Quantenheterostrukturen
Quantenheterostrukturen werden häufig aus GaN mit aktiven InGaN-Schichten aufgebaut. InGaN kann mit anderen Materialien wie GaN , AlGaN auf SiC , Saphir und sogar Silizium kombiniert werden .
Sicherheit und Toxizität
Die Toxikologie von InGaN wurde nicht vollständig untersucht. Der Staub reizt Haut, Augen und Lunge. Die Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsaspekte von Indiumgalliumnitridquellen (wie Trimethylindium , Trimethylgallium und Ammoniak ) und Studien zur Überwachung der Arbeitshygiene von Standard- MOVPE- Quellen wurden kürzlich in einer Übersicht berichtet.