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Semi-conducteur Nanowires - Matériaux Nouveaux d'III-Nitrure pour des Applications Optoélectroniques et d'Énergétique

par M. George Wang

M. George T. Wang, Membre Principal du Personnel Technique, Centre de Recherche Semi-conducteur de Frontière d'Énergie de la Science d'Éclairage, Laboratoires Nationaux de Sandia
Auteur Correspondant : gtwang@sandia.gov

La Recherche sur des nanowires de semi-conducteur s'est développée exponentiellement au cours de la dernière décennie, avec beaucoup d'attention se concentrant sur leur synthèse, propriétés principales, et applications possibles. Nanowires sont le rapport hauteur/largeur élevé, structures comme un fil avec des diamètres s'échelonnant type de quelques nanomètres à quelques cents nanomètres. Nanowires a comporté de pratiquement chaque système de semi-conducteur, y compris Si/Ge, II-Force, et III-Contre, ont été synthétisés jusqu'à présent et montrent un grand choix de morphologies intéressantes comprenant hexagonal, rectangulaire, triangulaire, cylindrique, et étaient branchés même.

L'Intérêt pour des nanowires de semi-conducteur est dû dans la grande partie de leur seule thermique, propriétés mécaniques, optiques, chimiques, et électriques, un résultat de leur taux élevé de surface-à-volume et leur taille, qui intersecte un certain nombre d'échelles matérielles de longueur caractéristique, telles que la longueur de diffusion d'exciton et le radius de Bohr, les longueurs d'onde UV-visibles, parcours de phonon le moyen libre, et la taille critique des domaines magnétiques. Ces propriétés nouvelles ont mené à un certain nombre de démonstrations intrigantes des nanowires de semi-conducteur en tant que différents ou intégrés éléments de nanoscale dans un grand choix d'applications s'échelonnant du thermoelectrics, le nanophotonics, se sentir, le piezoelectrics, moissonner et la mémoire d'énergie, et le nanoelectronics.1

Les III-nitrures (AlGaInN) sont technique des semi-conducteurs directs importants de bande-écartement qui absorbent et émettent sur un domaine très grand et attrayant d'énergie de l'UV à visible aux longueurs d'onde infrarouges, et sont la base pour les produits commercial comme les lights emitting diode visibles (LEDs) et les diodes lasers bleues (par exemple BluRay). En soi, des nanowires basés sur des semi-conducteurs d'III-nitrure sont explorés pour l'usage potentiel dans les LED, les lasers, le photovoltaics, se diviser de l'eau, l'électronique de puissance à grande vitesse/, et d'autres applications.

Cependant, avant que de telles applications nanowire-basées puissent être pratique réalisées, plusieurs défis existent dans les zones de la synthèse réglée et commandée de nanowire, fabrication des hétérostructures avancées de nanowire, et de comprendre et de régler les propriétés thermiques, électriques, mécaniques, et optiques de nanowire. Aux Laboratoires Nationaux de Sandia, dans le cadre du Centre de Recherche Semi-conducteur de Frontière d'Énergie de la Science d'Éclairage et d'autres programmes, M. George T. Wang et collègues vérifient la synthèse et les propriétés des nanowires basés d'III-nitrure dans le but de relever ces beaucoup de défis.

Des nanowires de Semi-conducteur peuvent être fabriqués par un grand choix de techniques, y compris des élans ascendants concernant souvent une particule de catalyseur en métal de nanoscale pour diriger l'accroissement 1D par l'intermédiaire du mécanisme (VLS) vapeur-liquide-solide, vers des élans lithographiques hiérarchisés. Tandis Que chacun des deux élans synthétiques sont explorés chez Sandia, le foyer primaire a été sur l'accroissement VLS-basé de GaN et de nanowires de noyau-SHELL d'III-nitrure utilisant la déposition en phase vapeur métallo-organique (MOCVD). Le Schéma 1 affiche l'accroissement descripteur descripteur et aligné des nanowires de GaN sur un substrat de saphir par l'intermédiaire de cette méthode.

La densité de nanowire et le degré élevés de cadrage vertical, qui est désirable pour l'intégration verticale de dispositif, est réalisée par la sélection correcte de l'orientation en cristal de substrat et le contrôle attentif du catalyseur en métal ainsi que des conditions d'accroissement.2-4 Les nanowires sont les monocristaux, avec les coupes transversales triangulaires (Figure 1B), et sont exempts de défauts dispositif-préjudiciables connus sous le nom de dislocations qui sont communes en films d'III-nitrure. Cette qualité cristalline élevée des nanowires, avec la capacité d'effectuer des hétérostructures dopé et d'alliage sur un domaine grand et réglable de bandgap, leur effectue les candidats attirants pour les dispositifs de rendement optimum.

Le Schéma 1. (a) image de microscope électronique (SEM) de Lecture d'accroissement aligné de nanowire de GaN sur le saphir ; (b) image de microscope électronique (TEM) de boîte de vitesses d'un nanowire de GaN avec la couche de shell d'AlGaN affichant sa coupe transversale triangulaire.

Un grand choix de techniques de nanocharacterization également sont utilisées par le M. Wang et ses collègues afin de comprendre et améliorer éventuel les propriétés de nanowire. Par exemple, des expériences spatial-resolved de cathodoluminescence sont employées pour tracer les fréquences et les intensités de l'émission légère de ces nanowires avec la définition de nanoscale,5 suivant les indications du Schéma 2.

Ceci et d'autres techniques optiques qui ont été adaptés à étudier ces nanostructures, y compris la microscopie de lecture de proche-zone6 et les spectroscopies7 optiques ultra-rapides et niveau profond8, ont indiqué des petits groupes tels que l'origine et la concentration des impuretés et d'autres défauts ponctuels dans les nanowires, dans le but de réduire eux et leur incidence sur les dispositifs nanowire-basés. 3D Puissants9 et techniques in-situ de microscopie électronique10 ont activé, par exemple, observant la panne matérielle d'un dispositif de nanowire sous le courant électrique élevé en temps réel aux définitions d'atomique-échelle.11

Le Schéma 2. (a) image (CL) de Cathodoluminescence affichant l'émission légère bleue des nanowires de GaN/InGaN noyau-SHELL ; (b) Image de CL affichant la luminescence jaune liée au défaut de la région extérieure d'un nanowire de GaN.

En plus des dispositifs uniques de nanowire, des ensembles de nanowires peuvent également être accrus des voies intéressantes et avantageuses. Chez Sandia, M. Wang et collègues ont développé une technique qui utilise des alignements verticalement alignés de nanowire de GaN comme descripteur de haute qualité pour l'accroissement des films de haute qualité de GaN sur les substrats peu coûteux et réseau-mauvais, suivant les indications du Schéma 3.12 Les nanowires servent de « passerelles » conformes de tension entre le film fusionné de GaN et être à la base, le substrat réseau-mauvais de saphir, qui des aides pour réduire à un minimum la formation de défaut dans le film de GaN et par conséquent pour améliorer la performance de dispositif.

Rendu du Schéma 3. (a) Artiste d'accroissement nanowire-templated d'un film de GaN ; (b) image en coupe de SEM affichant la démonstration de l'accroissement nanowire-templated de GaN.

En résumé, les nanowires de semi-conducteur d'III-nitrure intriguent les structures neuves qui affichent la promesse grande comme efficace, les synthons de nanoscale pour des applications s'échelonnant de l'éclairage semi-conducteur et les affichages au photovoltaics. Beaucoup d'efforts autour du monde sont actuel en cours pour comprendre mieux leur synthèse et propriétés afin de réaliser leur plein potentiel.

Remerciements

Le Financement de Sandia des Sciences DMSE d'Énergie (BES) de DAINE, de Technologie Énergétique de la DAINE EERE du programme De base de LDRD National de Laboratoire, et du Centre de Recherche Semi-conducteur de Frontière d'Énergie de la Science de l'Éclairage de Sandia (DAINE BES). Les Laboratoires Nationaux de Sandia est un laboratoire de multiprogrammation actionné par Sandia Corporation, une filiale complètement possédée de compagnie de Lockheed Martin, pour le Ministère De L'énergie des États-Unis la Gestion Nucléaire Nationale de la Garantie Sous contrat DE-AC04-94AL85000.


Références

1. A.I. Hochbaum, P.D. Yang, « Semi-conducteur Nanowires pour la Conversion d'Énergie », Révisions Chimiques, 110, 527 2010.
2. Q. Li, G.T. Wang, « Le Rôle des Collisions dans l'Accroissement Aligné de Nanowires Vertical », J. Cryst. Accroissement (Pays-Bas), 310, 3706 2008.
3. Q. Li, G.T. Wang, « Amélioration dans l'Accroissement Aligné de GaN Nanowire utilisant des Films de Catalyseur de Ni de Submonolayer », APPL. Phys. Lett., 93, 043119 2008.
4. G.T. Wang, A.A. Talin, D.J. Werder, J.R. Creighton, E. Lai, R.J. Anderson, caractérisation d'I. Arslan, « Fortement aligné, descripteur descripteur accroissement et des nanowires verticaux de GaN sur le saphir par la déposition en phase vapeur métallo-organique », Nanotechnologie, 17, 5773 2006.
5. Q.M. Li, G.T. Wang, « Distribution Spatiale de Luminescence de Défaut dans GaN Nanowires », Lett Nano., 10, 1554 2010.
6. L. Baird, G.H. Ang, C.H. Low, N.M. Haegel, A.A. Talin, Q.M. Li, G.T. Wang, « diffusion de porteur de minorité de Représentation dans des nanowires de GaN utilisant la microscopie optique de champ proche », Physica B, 404, 4933 2009.
7. P.C. Upadhya, Q.M. Li, G.T. Wang, A.J. Fischer, A.J. Taylor, R.P. Prasankumar, « L'influence des conditions de défaut sur la dynamique de porteur de non-équilibre dans des nanowires de GaN », la Science et Technologie de Semi-conducteur, 25, 2010.
8. A. Armstrong, Q. Li, Y. Lin, A.A. Talin, G.T. Wang, « condition extérieure de nanowire de GaN observée utilisant la spectroscopie optique de niveau profonde », APPL. Phys. Lett., 96, 2010.
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, « Visualisation En trois dimensions des Défauts Extérieurs dans Noyau-SHELL Nanowires », Tourillon de la Physico-chimie C, 112, 11093 2008.
10. Y. Lin, Q. Li, A. Armstrong, G.T. Wang, « caractérisation électrique de microscope électronique In situ de lecture des nanodiodes de nanowire de GaN utilisant le tungstène et les nanoprobes de tungstène/gallium », Commun Semi-conducteur. (Les ETATS-UNIS), 149, 1608 2009.
11. T. Westover, R. Jones, J.Y. Huang, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, « Photoluminescence, Transport Thermique, et Panne dans GaN Nanowires Joule-Passionné », Lett Nano., 9, 257 2009.
12. Q. Li, Y. Lin, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, « la croissance épitaxiale transversale de Nanowire-templated du l'un-plan non polaire GaN de densité de faible-dislocation sur le saphir de r-plan », Adv. Mère., 21, 2416 2009.

Droit d'auteur AZoNano.com, M. George T. Wang (Laboratoires Nationaux de Sandia)

Date Added: Aug 11, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:06

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