El nitruro de indio y galio ( InGaN , In x Ga 1 − x N ) es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN). Es un ternario grupo III / grupo V de banda prohibida directa semiconductor . Su banda prohibida se puede ajustar variando la cantidad de indio en la aleación. In x Ga 1 − x N tiene un intervalo de banda prohibida directo desde el infrarrojo (0,69 eV) para InN hasta el ultravioleta (3,4 eV) de GaN. La proporción de In / Ga suele ser [ aclaración necesaria ]entre 0,02 / 0,98 y 0,3 / 0,7. [1]
Aplicaciones
LED
El nitruro de galio indio es la capa emisora de luz en los LED azules y verdes modernos y, a menudo, se cultiva en un tampón de GaN sobre un sustrato transparente como, por ejemplo, zafiro o carburo de silicio . Tiene una alta capacidad calorífica y su sensibilidad a la radiación ionizante es baja (como otros nitruros del grupo III ), por lo que también es un material potencialmente adecuado para dispositivos solares fotovoltaicos , específicamente para matrices para satélites .
Teóricamente se predice que la descomposición espinodal del nitruro de indio debería ocurrir para composiciones entre el 15% y el 85%, lo que conduce a regiones o agrupaciones de InGaN ricas en In y ricas en Ga. Sin embargo, solo se ha observado una segregación de fase débil en estudios experimentales de estructuras locales. [2] Otros resultados experimentales que utilizan la excitación por catodoluminiscencia y fotoluminiscencia en pozos multicánticos de InGaN con bajo contenido de In han demostrado que al proporcionar los parámetros de material correctos de las aleaciones de InGaN / GaN, los enfoques teóricos para los sistemas de AlGaN / GaN también se aplican a las nanoestructuras de InGaN. [3]
GaN es un material rico en defectos con densidades de luxación típicas [4] superiores a 108 cm −2 . Se espera que la emisión de luz de las capas de InGaN cultivadas en tales tampones de GaN utilizados en los LED azules y verdes se atenúe debido a la recombinación no radiativa en tales defectos. [5] No obstante, los pozos cuánticos de InGaN son emisores de luz eficientes en diodos y láseres de diodos emisores de luz verde, azul, blanco y ultravioleta . [6] [7] [8] Las regiones ricas en indio tienen un intervalo de banda más bajo que el material circundante y crean regiones de energía potencial reducida para los portadores de carga. Los pares de agujeros de electrones quedan atrapados allí y se recombinan con la emisión de luz, en lugar de difundirse a defectos cristalinos donde la recombinación no es radiativa. Además, las simulaciones por computadora autoconsistentes han demostrado que la recombinación radiativa se concentra donde las regiones son ricas en indio. [9]
La longitud de onda emitida, que depende de la banda prohibida del material, se puede controlar mediante la relación GaN / InN, desde casi ultravioleta para 0.02In / 0.98Ga hasta 390 nm para 0.1In / 0.9Ga, violeta-azul 420 nm para 0.2In / 0.8 Ga, a 440 nm de azul para 0.3In / 0.7Ga, a rojo para proporciones más altas y también por el grosor de las capas de InGaN que suelen estar en el rango de 2-3 nm [ cita requerida ] . Sin embargo, los resultados de las simulaciones atomísticas han demostrado que las energías de emisión tienen una dependencia menor de pequeñas variaciones de las dimensiones del dispositivo. [10] Los estudios basados en la simulación de dispositivos han demostrado que podría ser posible aumentar la eficiencia de los LED de InGaN / GaN utilizando la ingeniería de banda prohibida, especialmente para los LED verdes. [11]
Fotovoltaica
La capacidad de realizar ingeniería de banda prohibida con InGaN en un rango que proporciona una buena coincidencia espectral con la luz solar, hace que InGaN sea adecuado para células solares fotovoltaicas . [12] [13] Es posible hacer crecer múltiples capas con diferentes bandgaps, ya que el material es relativamente insensible a los defectos introducidos por un desajuste de celosía entre las capas. Una celda multiunión de dos capas con bandgaps de 1.1 eV y 1.7 eV puede alcanzar una eficiencia máxima teórica del 50%, y al depositar múltiples capas sintonizadas en una amplia gama de bandgaps, teóricamente se espera una eficiencia de hasta el 70%. [14]
Se obtuvo una fotorrespuesta significativa a partir de dispositivos experimentales de unión única de InGaN. [15] [16] Además de controlar las propiedades ópticas, [17] que da como resultado la ingeniería de banda prohibida, el rendimiento del dispositivo fotovoltaico puede mejorarse mediante la ingeniería de la microestructura del material para aumentar la longitud de la trayectoria óptica y proporcionar captura de luz. El crecimiento de nanocolumnas en el dispositivo puede resultar en una interacción resonante con la luz, [18] y las nanocolumnas de InGaN se han depositado con éxito en SiO.
2utilizando evaporación mejorada con plasma. [19] El crecimiento de nanorod también puede ser ventajoso en la reducción de las dislocaciones de la pisada que pueden actuar como trampas de carga reduciendo la eficiencia de las células solares [20]
La epitaxia modulada por metal permite el crecimiento atómico controlado capa por capa de películas delgadas con características casi ideales habilitadas por la relajación de la deformación en la primera capa atómica. Las estructuras de celosía del cristal coinciden, asemejándose a un cristal perfecto, con la luminosidad correspondiente. El cristal tenía un contenido de indio que variaba de x ∼ 0,22 a 0,67. La mejora significativa en la calidad cristalina y las propiedades ópticas comenzó en x ∼ 0,6. Las películas se cultivaron a ~ 400 ° C para facilitar la incorporación de indio y con modulación precursora para mejorar la morfología de la superficie y la difusión de la capa metálica. Estos hallazgos deberían contribuir al desarrollo de técnicas de crecimiento para semiconductores de nitruro en condiciones de alto desajuste de red. [21] [22]
Heteroestructuras cuánticas
Las heteroestructuras cuánticas a menudo se construyen a partir de GaN con capas activas de InGaN. InGaN se puede combinar con otros materiales, por ejemplo, GaN , AlGaN , sobre SiC , zafiro e incluso silicio .
Seguridad y toxicidad
La toxicología de InGaN no se ha investigado completamente. El polvo irrita la piel, los ojos y los pulmones. Los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de nitruro de indio y galio (como trimetilindio , trimetilgalio y amoníaco ) y los estudios de monitoreo de la higiene industrial de las fuentes estándar de MOVPE se han informado recientemente en una revisión. [23]
Ver también
- Fosfuro de galio indio
- Arseniuro de galio indio
Referencias
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