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III 氮化物半導體 Nanowires - 光電子和能源應用的新穎的材料

由喬治 Wang 博士

喬治 T. Wang,技術人員,固體照明設備科學能源邊境研究中心Sandia 國家實驗室的首席成員博士
對應的作者: gtwang@sandia.gov

對半導體 nanowires 的研究按指數規律地在過去十年增長,当注意著重他們的綜合、根本屬性和潛在的應用。 Nanowires 是高長寬比,與典型地範圍從一些毫微米的直徑的像電匯的結構到幾百毫微米。 Nanowires 包括實際上每個半導體系統,包括 Si/Ge, II 力和 III 與,迄今被綜合了并且陳列各種各樣的有趣形態學包括六角,長方形,三角,圓柱形和甚而分支。

興趣在半導體 nanowires 上是由於的在大部分對他們的唯一熱量,機械,光學,化工和電子屬性、他們的高表面對數量比例的結果和他們的範圍,相交一定數量的物理特性長度縮放比例,例如激子擴散長度和玻爾半徑、紫外可視波長、聲子平均自由程和磁域的中肯大小。 這些新穎的屬性導致了半導體 nanowires 的一定數量迷人的演示作為在範圍從 thermoelectrics 的各種各樣的應用的各自或集成 nanoscale 要素, nanophotonics,感覺, piezoelectrics,能源收穫和存貯和 nanoelectronics。1

III 氮化物 (AlGaInN) 技術上是吸收并且散發在從紫外的一個非常清楚和有吸引力的能源範圍到可視對紅外線波長的重要直接範圍空白半導體,并且是為商品的基本類型像可視發光二極管 (LEDs)和藍色激光二極管 (即 BluRay)。 同樣地,在 III 氮化物半導體基礎上的 nanowires 測試潛在的用於 LEDs、激光, photovoltaics,水分裂,高速/功率電子學和其他應用。

然而,在這樣基於 nanowire 的應用可以實際上認識到前,幾個挑戰在受控和被定購的 nanowire 綜合,先進的 nanowire 異質結構和瞭解和控制 nanowire 熱量,電子,機械和光學性能的製造區存在。 在 Sandia 國家實驗室,在固體照明設備科學能源邊境研究中心和其他程序下,喬治 T. Wang 博士和同事調查 III 氮化物基於 nanowires 綜合和屬性打算解決這些許多挑戰。

半導體 nanowires 可以用各種各樣的技術製造,包括經常介入 nanoscale 金屬催化劑微粒的自下向上途徑通過蒸氣液體固定的結構處理 1D (VLS) 增長,到自頂向下平版印刷的途徑。 當這兩個綜合途徑在 Sandia 時測試,使用金屬有機化學氣相沉積,主要重點在 GaN 和 III 氮化物核心殼 nanowires 基於 VLS 的增長 (MOCVD)。 圖 1 通過此方法顯示 GaN nanowires 模板自由,對齊的增長在青玉基體的。

高 nanowire 密度和程度垂直的對準線,為垂直的設備綜合化是理想的,由基體晶體取向的適當的選擇和金屬催化劑以及增長條件的仔細控制達到。2-4 nanowires 是單晶,與三角橫斷面 (圖 1b),并且免於叫作是公用的在 III 氮化物影片的脫臼的設備不利的缺陷。 nanowires 的此高水晶質量,以及這個能力做在一個清楚,可調的 bandgap 範圍的被摻雜的和合金異質結構,做他們省能源的設備的可愛的候選人。

在青玉的圖 1. (a) (SEM) 對齊的 GaN nanowire 增長掃描電子顯微鏡圖像; (b) 傳輸一 (TEM) GaN nanowire 的電子顯微鏡圖像與 AlGaN 顯示其三角橫斷面的殼層的。

各種各樣的 nanocharacterization 技術由同事博士 Wang 和他的也使用為了瞭解和根本地改進 nanowire 屬性。 例如,如圖 2. 所顯示,空間解決的陰極發光實驗用於映射頻率和強度從這些 nanowires 的光發射與5 nanoscale 解決方法。

適應學習這些 nanostructures,包括近域掃描顯微鏡和超速和深級的光學6分光學的這7和其他光學技術8,顯示了詳細資料例如雜質和其他點缺陷的始發地和濃度在 nanowires,打算減少他們和他們的影響對基於 nanowire 的設備。 強大的 3D9 和原地電子顯微鏡術技術10在實時啟用了,例如,觀察實際故障的 nanowire 設備在高電能下在基本縮放比例解決方法。11

圖 2. (a) 顯示 (CL)從 GaN/InGaN 核心殼 nanowires 的陰極發光圖像藍色光發射; (b) 顯示從 GaN nanowire 的表面區域的分類圖像缺陷關連的黃色發光學。

除唯一 nanowire 設備之外, nanowires 合奏可能也利用用有趣和有利方式。 如圖 3. 所顯示,在 Sandia, Wang 博士和同事開發了使用垂直對齊的 GaN nanowire 列陣作為一塊優質模板為優質 GaN 影片增長在耗費小的一個技術,格子不匹配的基體的。12 nanowires 擔當張力兼容 「橋梁」在聯合的 GaN 影片和強調,格子不匹配的青玉基體之間,使在 GaN 影片的缺陷形成減到最小並且改進設備性能的幫助。

GaN 影片的 nanowire-templated 增長圖 3. (a) 藝術家的翻譯; (b) 顯示 nanowire-templated GaN 增長的演示的短剖面 SEM 圖像。

總之, III 氮化物半導體 nanowires 吸引顯示巨大承諾如高效的新的結構, nanoscale 範圍從固體照明設備的應用的構件和顯示對 photovoltaics。 許多工作成績環球是目前進行中的更好瞭解他們的綜合和屬性為了發揮他們的潛能。

鳴謝

從母鹿基本的能源科學 DMSE (BES),母鹿 EERE 國家能源技術實驗室, Sandia 的 LDRD 程序和 Sandia 的固體照明設備科學能源邊境研究中心 (母鹿 BES) 的資助。 Sandia 國家實驗室是 Sandia 管理的多元程序化實驗室 Corporation,洛克希德馬丁公司一個全部擁有的輔助,美國能源部的國家核證券管理根據合同 DE-AC04-94AL85000。


參考

1. A.I. Hochbaum, P.D. 楊, 「能量轉換的半導體 Nanowires」,化工覆核, 110, 527 2010年。
2. Q. 李, G.T. Wang, 「衝突的作用在垂直的 Nanowires 對齊的增長」, J. Cryst。 增長 (荷蘭), 310, 3706 2008年。
3. Q. 李, G.T. Wang, 「在對齊的 GaN Nanowire 增長的改善使用 Submonolayer Ni 催化劑影片」, 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, 「高度對齊,模板自由的增長和描述特性在青玉的垂直的 GaN nanowires 由金屬有機化學氣相沉積」,納米技術, 17日, 5773 2006年。
5. Q.M. 李, G.T. Wang, 「缺陷發光學的空間的配電器在 GaN Nanowires」,納諾 Lett。, 10日, 1554 2010年。
6. L. 貝爾德, G.H. Ang, C.H. Low, N.M. Haegel, A.A. Talin, Q.M. 李, G.T. Wang, 「想像在 GaN nanowires 的少數載流子擴散使用最近的域光學顯微學」, Physica B, 404, 4933 2009年。
7. P.C. Upadhya, Q.M. 李, G.T. Wang, A.J. 菲舍爾, A.J. 泰勒, R.P. Prasankumar, 「缺陷狀態的影響對不平衡在 GaN nanowires」,半導體科學技術, 25日的承運人動力 2010年。
8. A. 阿姆斯特朗, Q. 李, Y. 林, A.A. Talin, G.T. Wang, 「使用深刻的級別光學分光學被觀察的 GaN nanowire 表面態」, Appl。 Phys。 Lett。, 96日 2010年。
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, 「表面損壞的三維形象化在核心殼 Nanowires」的,物理化學 C, 112 日記帳, 11093 2008年。
10. Y. 林、 Q. 李, A. 阿姆斯特朗, G.T. Wang, 「GaN 使用鎢和鎢/鎵 nanoprobes 的 nanowire nanodiodes 的在原處掃描電子顯微鏡電子描述特性」,固體 Commun。 (美國), 149, 1608 2009年。
11. T. Westover、 R. 瓊斯, J.Y. 黃, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, 「Photoluminescence、熱量運輸和細分在焦耳激昂的 GaN Nanowires」,納諾 Lett。, 9日, 257 2009年。
12. Q. 李, Y. 林, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, 「低脫臼密度無極的飛機 GaN Nanowire-templated 側向外延生長在 r 飛機青玉的」,副詞。 Mater。, 21日, 2416 2009年。

版權 AZoNano.com,喬治 T. Wang (Sandia 國家實驗室) 博士

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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