El nitruro de indio y galio ( InGaN , In x Ga 1− x N ) es un material semiconductor hecho de una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN). Es un semiconductor ternario de banda prohibida directa del grupo III / grupo V. Su banda prohibida se puede ajustar variando la cantidad de indio en la aleación. El In x Ga 1−x N tiene una banda prohibida directa que abarca desde el infrarrojo (0,69 eV) para el InN hasta el ultravioleta (3,4 eV) del GaN. La relación de In/Ga suele estar entre 0,02/0,98 y 0,3/0,7. [1]
El nitruro de indio y galio es la capa emisora de luz de los LED azules y verdes modernos y, a menudo, se cultiva sobre un tampón de GaN sobre un sustrato transparente como, por ejemplo, zafiro o carburo de silicio . Tiene una alta capacidad térmica y su sensibilidad a la radiación ionizante es baja (como otros nitruros del grupo III ), lo que lo convierte también en un material potencialmente adecuado para dispositivos solares fotovoltaicos , específicamente para matrices para satélites .
Se predice teóricamente que la descomposición espinodal del nitruro de indio debería ocurrir para composiciones entre 15% y 85%, dando lugar a regiones o grupos de InGaN ricos en In y Ga. Sin embargo, solo se ha observado una segregación de fase débil en estudios experimentales de estructura local. [2] Otros resultados experimentales que utilizan excitación por catodoluminiscencia y fotoluminiscencia en pozos multicuánticos de InGaN con bajo contenido de In han demostrado que, proporcionando parámetros de material correctos de las aleaciones InGaN/GaN, los enfoques teóricos para los sistemas AlGaN/GaN también se aplican a las nanoestructuras de InGaN. [3]
El GaN es un material rico en defectos con densidades de dislocación típicas [4] superiores a 10 8 cm −2 . Se espera que la emisión de luz de las capas de InGaN cultivadas en dichos tampones de GaN utilizados en LED azules y verdes se atenúe debido a la recombinación no radiativa en dichos defectos. [5] Sin embargo, los pozos cuánticos de InGaN son emisores de luz eficientes en diodos emisores de luz verde, azul, blanca y ultravioleta y láseres de diodo . [6] [7] [8] Las regiones ricas en indio tienen un intervalo de banda menor que el material circundante y crean regiones de energía potencial reducida para los portadores de carga. Los pares electrón-hueco quedan atrapados allí y se recombinan con emisión de luz, en lugar de difundirse a defectos cristalinos donde la recombinación no es radiativa. Además, las simulaciones por computadora autoconsistentes han demostrado que la recombinación radiativa se concentra donde las regiones son ricas en indio. [9]
La longitud de onda emitida, que depende de la brecha de banda del material, se puede controlar mediante la relación GaN/InN, desde el ultravioleta cercano para 0,02In/0,98Ga hasta los 390 nm para 0,1In/0,9Ga, el violeta-azul 420 nm para 0,2In/0,8Ga, el azul 440 nm para 0,3In/0,7Ga, el rojo para relaciones más altas y también mediante el espesor de las capas de InGaN, que normalmente están en el rango de 2-3 nm [ cita requerida ] . Sin embargo, los resultados de simulaciones atomísticas han demostrado que las energías de emisión tienen una dependencia menor de pequeñas variaciones en las dimensiones del dispositivo. [10] Los estudios basados en la simulación de dispositivos han demostrado que podría ser posible aumentar la eficiencia de los LED InGaN/GaN utilizando ingeniería de brecha de banda, especialmente para los LED verdes. [11]
La capacidad de realizar ingeniería de brechas de banda con InGaN en un rango que proporciona una buena coincidencia espectral con la luz solar, hace que InGaN sea adecuado para células solares fotovoltaicas . [12] [13] Es posible hacer crecer múltiples capas con diferentes brechas de banda, ya que el material es relativamente insensible a los defectos introducidos por un desajuste de red entre las capas. Una celda multiunión de dos capas con brechas de banda de 1,1 eV y 1,7 eV puede alcanzar una eficiencia máxima teórica del 50%, y al depositar múltiples capas ajustadas a una amplia gama de brechas de banda, se espera teóricamente una eficiencia de hasta el 70%. [14]
Se obtuvo una fotorrespuesta significativa a partir de dispositivos experimentales de unión simple de InGaN. [15] [16] Además de controlar las propiedades ópticas, [17] lo que da como resultado la ingeniería de brecha de banda, el rendimiento del dispositivo fotovoltaico se puede mejorar mediante la ingeniería de la microestructura del material para aumentar la longitud del camino óptico y proporcionar captura de luz. El crecimiento de nanocolumnas en el dispositivo puede dar como resultado además una interacción resonante con la luz, [18] y las nanocolumnas de InGaN se han depositado con éxito sobre SiO
2utilizando evaporación mejorada con plasma. [19] El crecimiento de nanobarras también puede ser ventajoso en la reducción de dislocaciones de rodadura que pueden actuar como trampas de carga que reducen la eficiencia de la célula solar [20]
La epitaxia modulada por metal permite el crecimiento controlado capa por capa de capas atómicas de películas delgadas con características casi ideales, gracias a la relajación de la tensión en la primera capa atómica. Las estructuras reticulares del cristal coinciden, asemejándose a un cristal perfecto, con la luminosidad correspondiente. El cristal tenía un contenido de indio que oscilaba entre x ~ 0,22 y 0,67. La mejora significativa en la calidad cristalina y las propiedades ópticas comenzó en x ~ 0,6. Las películas se cultivaron a ~400 °C para facilitar la incorporación de indio y con modulación del precursor para mejorar la morfología de la superficie y la difusión de la capa de metal. Estos hallazgos deberían contribuir al desarrollo de técnicas de crecimiento para semiconductores de nitruro en condiciones de alto desajuste reticular. [21] [22]
Las heteroestructuras cuánticas suelen construirse a partir de GaN con capas activas de InGaN. El InGaN se puede combinar con otros materiales, por ejemplo GaN , AlGaN , sobre SiC , zafiro e incluso silicio .
Los LED de nanobarras de InGaN son estructuras tridimensionales con una superficie de emisión más grande, mejor eficiencia y mayor emisión de luz en comparación con los LED planos [ cita requerida ] .
La toxicología del InGaN no se ha investigado en profundidad. El polvo es irritante para la piel, los ojos y los pulmones. En una revisión reciente se han publicado estudios sobre los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de nitruro de indio y galio (como el trimetilindio , el trimetilgalio y el amoníaco ) y sobre el control de la higiene industrial de las fuentes estándar de MOVPE . [23]
{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)