Lys fremtid for gaN nanotråde

Galliumnitrid -nanotråde dyrket af PML -forskere må kun være et par tiendedele af en mikrometer i diameter, men de lover en meget bred vifte af applikationer, fra nye lysemitterende dioder og diodelasere til ultrasmå resonatorer, kemiske sensorer, og yderst følsomme atomprobespidser.

I de to årtier siden GaN først blev ansat i en kommercielt levedygtig LED, indvarsler en blændende fremtid for laveffektbelysning og højeffekttransistorer, III-V halvlederen er blevet produceret og undersøgt på mange måder, i både tyndfilm og nanotrådform.

På PML's Quantum Electronics and Photonics Division i Boulder, CO, meget af den seneste indsats har været afsat til at vokse og karakterisere GaN-nanotråde af ekstrem høj kvalitet-"nogle af de bedste, hvis ikke den bedste, i verden, "siger Norman Sanford, medleder for projektet Semiconductor Metrology for Energy Conversion.

GaN udsender lys, når huller og elektroner rekombineres ved et kryds, der skabes ved at doping krystal for at skabe regioner af p-type og n-type. Disse lag dannes ved en række forskellige deponeringsmetoder, typisk på et safir- eller siliciumcarbidsubstrat. Konventionelle metoder producerer krystaller med relativt høje defektdensiteter. Desværre, defekter i gitteret begrænser lysemission, introducere signalstøj, og føre til tidlig enhedsfejl.

Boulder -holdet, derimod, vokser praktisk talt fejlfrit sekskantede GaN-nanotråde meget langsomt fra en siliciumbase. Deres deponeringsmetode er molekylær stråle -epitaxy (MBE), som tillader nanotråde at danne sig spontant uden brug af katalysatorpartikler. Selvom katalysatorpartikler er meget udbredt til vækst i nanotråd, de efterlader spor -urenheder, der kan nedbryde GaN. Det tager to til tre dage, før strukturerne når en længde på omkring 10 mikrometer (ca. en tiendedel af tykkelsen af ​​et menneskehår), men ventetiden kan betale sig, fordi krystalstrukturen er næsten perfekt.

Blandt andre fordele, fejlfrie krystaller producerer mere lys. "Nu, for første gang, elektroluminescensen fra en enkelt GaN nanotråd -LED er tilstrækkelig lys til, at vi kan måle dets spektrum og spore spektret med drivstrøm for at se tegn på opvarmning, "siger projektleder Kris Bertness." Der er ingen andre eksempler på elektroluminescensspektre fra et enkelt MBE-vokset GaN-nanotråd i litteraturen. "

GaN og dets tilhørende legeringssystem (herunder halvledere indeholdende indium og aluminium) danner grundlag for den hurtigt ekspanderende belysningsindustri i solid state. Det kunne bevæge sig hurtigere, eksperter mener, hvis industrien kunne udvikle en økonomisk metode til at dyrke materiale med lav defekt massefylde.

"Konventionelle GaN-baserede lysdioder dyrket på omkostningseffektive, men ikke-gitter-matchede underlag (såsom safir) lider af uundgåelig belastning og defekter, der kompromitterer effektiviteten, "Siger Sanford." Derudover, lysekstraktion fra konventionelle plane (flade) LED -strukturer forhindres af total intern refleksion, hvilket resulterer i spildte fotoner, der er fanget i enheden frem for at udstråle udad som nyttigt lys. "

GaN nanowire LED -teknologi tilbyder betydelige forbedringer, da ledningerne vokser i det væsentlige uden belastning og defekter og dermed bør muliggøre grundlæggende mere effektive enheder. Desuden, morfologien fra en "skov" af tæt opstillede nanotråd-LED'er tilbyder forbedringer i lysekstraktionseffektiviteten af ​​disse strukturer sammenlignet med deres plane modparter.

Test og måling af disse og andre egenskaber, imidlertid, giver betydelige udfordringer. "GaN af P-type er svær at dyrke ved nogen almindelig vækstmetode, "Bertness siger." Og det, der viser sig at være meget hårdt, er at få gode elektriske kontakter til nanotråden, fordi den ikke er flad, og dens tykkelse er større end de fleste metalfilm, der bruges til at komme i kontakt med plane film.

"Denne 3D -geometri tilskynder til dannelse af hulrum og indfangning af kemiske urenheder i nærheden af ​​kontakterne, som begge nedbryder kontakten, nogle gange til det punkt at være ubrugelig. Det er et område, vi aktivt undersøger. "

Teamet ser på måder at dyrke nanotråde i regelmæssige arrays, med omhyggelig kontrol af afstanden og dimensionerne på hver enkelt ledning. For nylig fandt de ud af, at ved at oprette et gitterlignende mønster af åbninger i størrelsesordenen 200 nanometer i et siliciumnitrid "maske lag" placeret over substratet, de kunne opnå selektiv vækst af meget regelmæssige ledninger. Evnen til at producere ordnede mønstre af ensartede GaN -enheder, Bertness siger, "er afgørende for pålidelig fremstilling."

GaN er ikke kun en lyskilde. Det har også flere anvendelser inden for forskellige felter. "En anden god ting ved GaN er, at den er ufølsom over for høje temperaturer, "siger Robert Hickernell, leder af Optoelectronic Manufacturing Group, som omfatter projektet Semiconductor Metrology. "Det er en fordel for applikationer med høj elektrisk effekt." Gruppen undersøger også nanotrådfelt -effekt -transistorer (FET'er) for nøjagtigt at måle transporttransportegenskaber. "Og vi har GaN nanowire FET'er, der er nogle af de bedste forskningsudstyr i verden."

Ud over, GaN nanotråde er mekanisk robuste. Meget robust:For fire år siden, et PML-University of Colorado-samarbejde skabte overskrifter ved at producere nanotråde med ekstraordinært høje kvalitetsfaktorer, der gør dem til potentielt fremragende oscillatorer. "I en fjern fremtid, "Hickernell siger, "de kan blive brugt i mobiltelefonapplikationer som mikro-resonatorer."

Kombinationen af ​​høj mekanisk kvalitetsfaktor og lille masse gør dem også i stand til at detektere masser i subattogrammet. PML -samarbejdspartnere ved University of Colorado er overbeviste om, at de kan ekstrapolere de nuværende eksperimenter til omtrent 0,01 attogram, eller 10 zeptograms følsomhed. (Til sammenligning, massen af ​​en virus er i størrelsesordenen 1 attogram, eller 10-18 gram.) Der er endnu ikke foretaget direkte målinger i den skala.

Tidligere i år, Bertness, Sanford og CU -samarbejdspartnere brugte GaNs native piezoresistance til at måle frekvensrespons i nanotråde strakt over et 10 mikrometer hul. Resultaterne viste, at enhederne havde "øjeblikkelig nytte i højopløselige masse- og kraftfølende applikationer, "skrev forskerne i deres offentliggjorte rapport.

Teamet mener, at det er muligt at lave "en ny klasse af elektrisk adresserbare multifunktionelle scannings-sondeværktøjer, "Bertness forklarer." F.eks. konventionel NSOM er afhængig af en scannende optisk spids med en blænde -diameter i området 10 til 100 nanometer, som dannes ved den koniske ende af en passiv optisk fiber. Disse tips er mekanisk og kemisk skrøbelige og har en meget kort levetid - timer til dage. På den anden side, GaN-nanotrådbaserede NSOM-værktøjer kan potentielt tilbyde elektrisk adresserbar multifunktionsoperation, der kombinerer optisk emission, optisk detektion, AFM- og RF-AFM-funktionalitet. "

Endelig, GaN nanotråde er også velegnede til brug i kemiske, biologisk, og gasføling. Løbende samarbejdsarbejde mellem teamet og NIST's Material Measurement Laboratory producerer interessante resultater med GaN -nanotråde, der bruges sammen med nanoklynger af titandioxid til at detektere aromatiske forbindelser såsom benzen og toluen. "Derudover vores projekt har udført et indledende (offentliggjort) arbejde med GaN nanotråde funktionaliseret til biologiske molekyler, "Sanford siger." Forskellige andre grupper rundt om i verden forfølger lignende sensorteknologi ved hjælp af GaN -nanotrådskeletter. "