III 氮化物半导体 Nanowires - 光电子和能源应用的新颖的材料

由乔治 Wang 博士

乔治 T. Wang,技术人员,固体照明设备科学能源边境研究中心Sandia 国家实验室的首席成员博士
对应的作者: gtwang@sandia.gov

对半导体 nanowires 的研究按指数规律地在过去十年增长,当注意着重他们的综合、根本属性和潜在的应用。 Nanowires 是高长宽比,与典型地范围从一些毫微米的直径的象电汇的结构到几百毫微米。 Nanowires 包括实际上每个半导体系统,包括 Si/Ge, II 力和 III 与,迄今被综合了并且陈列各种各样的有趣形态学包括六角,长方形,三角,圆柱形和甚而分支。

兴趣在半导体 nanowires 上是由于的在大部分对他们的唯一热量,机械,光学,化工和电子属性、他们的高表面对数量比例的结果和他们的范围,相交一定数量的物理特性长度缩放比例,例如激子扩散长度和玻尔半径、紫外可视波长、声子平均自由程和磁域的中肯大小。 这些新颖的属性导致了半导体 nanowires 的一定数量迷人的演示作为在范围从 thermoelectrics 的各种各样的应用的各自或集成 nanoscale 要素, nanophotonics,感觉, piezoelectrics,能源收获和存贮和 nanoelectronics。1

III 氮化物 (AlGaInN) 技术上是吸收并且散发在从紫外的一个非常清楚和有吸引力的能源范围到可视对红外线波长的重要直接范围空白半导体,并且是为商品的基本类型象可视发光二极管 (LEDs)和蓝色激光二极管 (即 BluRay)。 同样地,在 III 氮化物半导体基础上的 nanowires 测试潜在的用于 LEDs、激光, photovoltaics,水分裂,高速/功率电子学和其他应用。

然而,在这样基于 nanowire 的应用可以实际上认识到前,几个挑战在受控和被定购的 nanowire 综合,先进的 nanowire 异质结构和了解和控制 nanowire 热量,电子,机械和光学性能的制造区存在。 在 Sandia 国家实验室,在固体照明设备科学能源边境研究中心和其他程序下,乔治 T. Wang 博士和同事调查 III 氮化物基于 nanowires 综合和属性打算解决这些许多挑战。

半导体 nanowires 可以用各种各样的技术制造,包括经常介入 nanoscale 金属催化剂微粒的自下向上途径通过蒸气液体固定的结构处理 1D (VLS) 增长,到自顶向下平版印刷的途径。 当这两个综合途径在 Sandia 时测试,使用金属有机化学气相沉积,主要重点在 GaN 和 III 氮化物核心壳 nanowires 基于 VLS 的增长 (MOCVD)。 图 1 通过此方法显示 GaN nanowires 模板自由,对齐的增长在青玉基体的。

高 nanowire 密度和程度垂直的对准线,为垂直的设备综合化是理想的,由基体晶体取向的适当的选择和金属催化剂以及增长条件的仔细控制达到。2-4 nanowires 是单晶,与三角横断面 (图 1b),并且免于叫作是公用的在 III 氮化物影片的脱臼的设备不利的缺陷。 nanowires 的此高水晶质量,以及这个能力做在一个清楚,可调的 bandgap 范围的被掺杂的和合金异质结构,做他们省能源的设备的可爱的候选人。

在青玉的图 1. (a) (SEM) 对齐的 GaN nanowire 增长扫描电子显微镜图象; (b) 传输一 (TEM) GaN nanowire 的电子显微镜图象与 AlGaN 显示其三角横断面的壳层的。

各种各样的 nanocharacterization 技术由同事博士 Wang 和他的也使用为了了解和根本地改进 nanowire 属性。 例如,如图 2. 所显示,空间解决的阴极发光实验用于映射频率和强度从这些 nanowires 的光发射与5 nanoscale 解决方法。

适应学习这些 nanostructures,包括近域扫描显微镜和超速和深级的光学6分光学的这7和其他光学技术8,显示了详细资料例如杂质和其他点缺陷的始发地和浓度在 nanowires,打算减少他们和他们的影响对基于 nanowire 的设备。 强大的 3D9 和原地电子显微镜术技术10在实时启用了,例如,观察实际故障的 nanowire 设备在高电能下在基本缩放比例解决方法。11

图 2. (a) 显示 (CL)从 GaN/InGaN 核心壳 nanowires 的阴极发光图象蓝色光发射; (b) 显示从 GaN nanowire 的表面区域的分类图象缺陷关连的黄色发光学。

除唯一 nanowire 设备之外, nanowires 合奏可能也利用用有趣和有利方式。 如图 3. 所显示,在 Sandia, Wang 博士和同事开发了使用垂直对齐的 GaN nanowire 列阵作为一块优质模板为优质 GaN 影片增长在耗费小的一个技术,格子不匹配的基体的。12 nanowires 担当张力兼容 “桥梁”在联合的 GaN 影片和强调,格子不匹配的青玉基体之间,使在 GaN 影片的缺陷形成减到最小并且改进设备性能的帮助。

GaN 影片的 nanowire-templated 增长图 3. (a) 艺术家的翻译; (b) 显示 nanowire-templated GaN 增长的演示的短剖面 SEM 图象。

总之, III 氮化物半导体 nanowires 吸引显示巨大承诺如高效的新的结构, nanoscale 范围从固体照明设备的应用的构件和显示对 photovoltaics。 许多工作成绩环球是目前进行中的更好了解他们的综合和属性为了发挥他们的潜能。

鸣谢

从母鹿基本的能源科学 DMSE (BES),母鹿 EERE 国家能源技术实验室, Sandia 的 LDRD 程序和 Sandia 的固体照明设备科学能源边境研究中心 (母鹿 BES) 的资助。 Sandia 国家实验室是 Sandia 管理的多元程序化实验室 Corporation,洛克希德马丁公司一个全部拥有的辅助,美国能源部的国家核证券管理根据合同 DE-AC04-94AL85000。


参考

1. A.I. Hochbaum, P.D. 杨, “能量转换的半导体 Nanowires”,化工复核, 110, 527 2010年。
2. Q. 李, G.T. Wang, “冲突的作用在垂直的 Nanowires 对齐的增长”, J. Cryst。 增长 (荷兰), 310, 3706 2008年。
3. Q. 李, G.T. Wang, “在对齐的 GaN Nanowire 增长的改善使用 Submonolayer Ni 催化剂影片”, Appl。 Phys。 Lett。, 93日, 043119 2008年。
4. G.T. Wang, A.A. Talin, D.J. Werder, J.R. Creighton, E. Lai, R.J. 安徒生, I. Arslan, “高度对齐,模板自由的增长和描述特性在青玉的垂直的 GaN nanowires 由金属有机化学气相沉积”,纳米技术, 17日, 5773 2006年。
5. Q.M. 李, G.T. Wang, “缺陷发光学的空间的配电器在 GaN Nanowires”,纳诺 Lett。, 10日, 1554 2010年。
6. L. 贝尔德, G.H. Ang, C.H. Low, N.M. Haegel, A.A. Talin, Q.M. 李, G.T. Wang, “想象在 GaN nanowires 的少数载流子扩散使用最近的域光学显微学”, Physica B, 404, 4933 2009年。
7. P.C. Upadhya, Q.M. 李, G.T. Wang, A.J. 菲舍尔, A.J. 泰勒, R.P. Prasankumar, “缺陷状态的影响对不平衡在 GaN nanowires”,半导体科学技术, 25日的承运人动力 2010年。
8. A. 阿姆斯特朗, Q. 李, Y. 林, A.A. Talin, G.T. Wang, “使用深刻的级别光学分光学被观察的 GaN nanowire 表面态”, Appl。 Phys。 Lett。, 96日 2010年。
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, “表面损坏的三维形象化在核心壳 Nanowires”的,物理化学 C, 112 日记帐, 11093 2008年。
10. Y. 林、 Q. 李, A. 阿姆斯特朗, G.T. Wang, “GaN 使用钨和钨/镓 nanoprobes 的 nanowire nanodiodes 的在原处扫描电子显微镜电子描述特性”,固体 Commun。 (美国), 149, 1608 2009年。
11. T. Westover、 R. 琼斯, J.Y. 黄, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, “Photoluminescence、热量运输和细分在焦耳激昂的 GaN Nanowires”,纳诺 Lett。, 9日, 257 2009年。
12. Q. 李, Y. 林, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, “低脱臼密度无极的飞机 GaN Nanowire-templated 侧向外延生长在 r 飞机青玉的”,副词。 Mater。, 21日, 2416 2009年。

版权 AZoNano.com,乔治 T. Wang (Sandia 国家实验室) 博士

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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