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III 窒化物の半導体 Nanowires - 光電子工学およびエネルギーアプリケーションのための新しい材料

先生によってジョージ Wang

ジョージ T. Wang の技術的なスタッフ、ソリッドステート照明科学エネルギーフロンティアの研究所Sandia の国立研究所の主なメンバー先生
対応する著者: gtwang@sandia.gov

半導体の nanowires の研究は統合、基本的な特性および潜在的なアプリケーションに焦点を合わせていて多くの注意が最後のディケイドにわたって、指数関数的に育ちました。 Nanowires は高いアスペクトレシオ、普通少数のナノメーター及ぶ直径が付いているワイヤーそっくりの構造から数百ナノメーターへのです。 Nanowires は事実上あらゆる半導体システムで、 Si/Ge を含んで、 II 気力、 III 対、今までに総合され、表わし六角形、長方形、三角、円柱を含むいろいろ興味深い形態を、ブランチしました構成し。

半導体の nanowires の興味は高い表面にボリューム比率の一義的な熱、機械、光学、化学の、および電気特性、結果および磁区の励起子の拡散距離のようないくつかの物理的特性の長さのスケールを、およびボーア半径、紫外線目に見える波長、音量子の平均自由行程および臨界の大きさ横断するサイズが大きい部分で原因です。 これらの新しい特性は thermoelectrics から、 nanophotonics、感知、 piezoelectrics、エネルギー収穫および記憶および nanoelectronics 及ぶいろいろなアプリケーションの個々か統合された nanoscale の要素として半導体の nanowires のいくつかの陰謀的なデモンストレーションの原因となりました。1

III 窒化物 (AlGaInN) は技術的に紫外線からの目に見える赤外線の波長にに非常に広く、魅力的なエネルギー範囲に吸収し、出重要な直接バンドギャップの半導体で、そして目に見える発光ダイオードのような商品のための基礎および (LEDs)青い半導体レーザー (例えば BluRay) です。 したがって、 III 窒化物の半導体に基づく nanowires は LEDs、レーザー、 photovoltaics、水、高速分割/パワーエレクトロニクスおよび他のアプリケーションの潜在的な使用のために探索されています。

ただし、そのような nanowire ベースのアプリケーションが事実上実現することができる前に複数の挑戦は制御された、発注され、 nanowire の統合、高度の nanowire のヘテロ構造、および nanowire の熱、電気、機械、および光学的性質を理解することそして制御することの製造の領域にあります。 Sandia の国立研究所で、ソリッドステート照明科学エネルギーフロンティアの研究所および他のプログラムの下で、ジョージ T. Wang 先生および同僚はこれらの多くの挑戦のアドレス指定の目的の III 窒化物によって基づく nanowires の統合そして特性を調査しています。

半導体の nanowires はトップダウンの石版アプローチに蒸気液体固体メカニズムによって 1D 成長を、指示するために頻繁に nanoscale の金属の触媒の粒子を含む上昇形アプローチを含むいろいろな技術 (VLS)によって、製造することができます。 両方の総合的なアプローチが Sandia で探索されている間、一次焦点は金属有機性化学気相堆積を使用して GaN および III 窒化物のコアシェルの nanowires の VLS ベースの成長にありました (MOCVD)。 図 1 はこの方法によってサファイアの基板の GaN の nanowires のテンプレートなしの、一直線に並べられた成長を示します。

縦装置統合のために好ましい縦のアラインメントの高い nanowire の密度そして程度は基板の水晶オリエンテーションの適切な選択および金属の触媒、また成長の状態の注意深い制御によって達成されます。2-4 nanowires は単結晶、三角の横断面 (図 1b) ので、 III 窒化物のフィルムで共通の転位として知られている装置有害な欠陥がありません。 作る機能と共に nanowires のこの高い結晶の品質は、広く、調整可能な bandgap の範囲上の添加されたおよび合金のヘテロ構造、それらにエネルギー効率が良い装置のための魅力的な候補者をします。

サファイアの図 1. (a) 一直線に並べられた (SEM) GaN の nanowire の成長の走査型電子顕微鏡の画像; (b) 三角の横断面を (TEM)示す AlGaN のシェルの層の GaN の nanowire の伝達電子顕微鏡の画像。

いろいろな nanocharacterization の技術はまた先生 Wang および彼の同僚によって nanowire の特性を理解し、最終的に改良するために用いられています。 図 2. に示すように nanoscale の解像度のこれらの nanowires からの光の放射の頻度そして強度を、マップするのに例えば、空間的解決する cathodoluminescence の実験が5使用されています。

これらの nanostructures の、ほぼフィールドスキャン顕微鏡検査および超高速および深レベルの光学分光学を含んで調査に6適応した他の7光学技術およびこれは8、 nanowire ベースの装置のそれらそして影響の減少の目的の nanowires の不純物そして他のポイント欠陥の起源そして集中のような細部を、明らかにしました。 強力な 3D9 および in-situ 電子顕微鏡検査の技術は10例えば、可能になりま、 nanowire 装置の物理的な故障を原子スケールの解像度でリアルタイムの高い電力の下で観察します。11

GaN/InGaN のコアシェルの nanowires からの (CL)青い光の放射を示す図 2. (a) Cathodoluminescence の画像; (b) GaN の nanowire の表面領域からの欠陥関連の黄色い冷光を示す CL の画像。

単一の nanowire 装置に加えて、 nanowires のアンサンブルはまた興味深く、有利な方法でてこ入れすることができます。 Sandia で、 Wang 先生および同僚は図 3. に示すように安価な使用する技術を、格子組合わせを誤まられた基板の GaN の良質のフィルムの成長のために良質のテンプレートとして縦に一直線に並べられた GaN の nanowire のアレイを、開発しました。12 nanowires は GaN の合体させたフィルムと下にあることの GaN のフィルムの欠陥の形成を最小化し、それ故に装置パフォーマンスを改善するヘルプ格子組合わせを誤まられたサファイアの基板間の緊張の対応 「橋として」役立ちます。

GaN のフィルムの nanowire-templated 成長の図 3. (a) 芸術家レンダリング; (b) GaN の nanowire-templated 成長のデモンストレーションを示す断面 SEM の画像。

要約すると、 III 窒化物の半導体の nanowires は効率的ように大きい約束を示す新しい構造、ソリッドステート照明からおよび photovoltaics まで表示の及ぶアプリケーションのための nanoscale のブロック興味をそそっています。 世界中の多くの努力は現在進行中よりよく豊富な可能性を実現するために統合および特性を理解するようにです。

確認応答

雌ジカ基本的なエネルギー科学 DMSE、 (BES)雌ジカ EERE 各国用エネルギー技術の実験室、 Sandia の LDRD プログラムおよび Sandia のソリッドステート照明科学エネルギーフロンティアの研究所 (雌ジカ BES) からの資金調達。 Sandia の国立研究所は契約 DE-AC04-94AL85000 の下で Sandia Corporation の各国用の核機密保護の管理米国エネルギー省のための Lockheed Martin の会社の完全に所有された子会社によって、作動するマルチプログラミングの実験室です。


参照

1. A.I. Hochbaum、 P.D. ヤン、 「エネルギー変換のための半導体 Nanowires」、化学検討、 110、 527 2010 年。
2. Q. 李、 G.T. Wang、 「縦の Nanowires の一直線に並べられた成長に於いての衝突の役割」、 J. Cryst。 成長 (ネザーランド)、 310、 3706 2008 年。
3. Q. 李、 G.T. Wang、 「Submonolayer NI の触媒のフィルムを使用して GaN 一直線に並べられた Nanowire の成長の改善」、 Appl。 Phys。 Lett。、 93、 043119 2008 年。
4. G.T. Wang、 A.A. Talin、 D.J. Werder、 J.R. Creighton、 E. Lai、 R.J. アンダーソン、金属有機性化学気相堆積によるサファイアの GaN の縦の nanowires の I. Arslan、 「非常に一直線に並べられて、テンプレートなしの成長および性格描写」、ナノテクノロジー、 17、 5773 2006 年。
5. Q.M. 李、 G.T. Wang、 「GaN Nanowires の欠陥の冷光の空間的な分布」、 Nano Lett。、 10、 1554 2010 年。
6. L. ベアード、 G.H. Ang、 C.H. Low、 N.M. Haegel、 A.A. Talin、 Q.M. 李、 G.T. Wang、 「近いフィールド光学顕微鏡検査を使用して GaN の nanowires のイメージ投射少数キャリア拡散」の、 Physica B、 404、 4933 2009 年。
7. P.C. Upadhya、 Q.M. 李、 G.T. Wang、 A.J. Fischer、 A.J. テイラー、 R.P. Prasankumar、 「GaN の nanowires」、半導体の科学技術、 25 2010 年の非平衡のキャリアの原動力の欠陥の州の影響。
8. A. アームストロング、 Q. 李、 Y. 林、 A.A. Talin、 G.T. Wang 観察される、 「深く水平な光学分光学を使用して」の GaN nanowire 表面国家 Appl。 Phys。 Lett。、 96 2010 年。
9. I. Arslan、 A.A. Talin、 G.T. Wang、 「コアシェル Nanowires の表面欠陥の三次元視覚化」、物理化学 C、 112、 11093 2008 年のジャーナル。
10. Y. 林、 Q. 李、 A. アームストロング、 G.T. Wang、 「タングステンおよびタングステン/ガリウム nanoprobes を使用して GaN の nanowire の nanodiodes のそのままの走査型電子顕微鏡の電気性格描写」、ソリッドステート Commun。 (米国)、 149、 1608 2009 年。
11. T. Westover、 R. ジョーンズ、 J.Y. 黄、 G. Wang、 E. Lai、 A.A. Talin、 「ジュール熱くする GaN Nanowires の Photoluminescence、熱輸送および故障」、 Nano Lett。、 9、 257 2009 年。
12. Q. 李、 Y. 林、 J.R. Creighton、 J.J. Figiel、 G.T. Wang、 「Nanowire-templated r 平面のサファイアの低転位の密度の無極性の平面 GaN の側面エピタキシアル成長」の、 ADV。 Mater。、 21、 2416 2009 年。

、版権 AZoNano.com ジョージ T. Wang (Sandia の国立研究所) 先生

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

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