Laser nanowire GaN pompato otticamente mostrato in arancione brillante. L'emissione laser effettiva è UV (≈370 nm) e invisibile a occhio nudo. La lunghezza del nanofilo laser è di circa 10 micrometri e il diametro è di circa 200 nm. La punta della sonda metallica nella parte superiore dell'immagine viene utilizzata per esaminare gli effetti di prossimità sulle proprietà laser del nanofilo. Nell'immagine sono visibili anche altri nanofili (non laser).
I nanofili di nitruro di gallio coltivati dagli scienziati della PML possono avere solo pochi decimi di micrometro di diametro, ma promettono una gamma molto ampia di applicazioni, dai nuovi diodi emettitori di luce e laser a diodi ai risonatori ultra-piccoli, sensori chimici, e punte di sonde atomiche altamente sensibili.
Nei due decenni da quando il GaN è stato impiegato per la prima volta in un LED commercialmente valido, inaugurando un futuro abbagliante per l'illuminazione a bassa potenza e i transistor ad alta potenza, il semiconduttore III-V è stato prodotto e studiato in numerosi modi, sia sotto forma di film sottile che di nanofili.
Presso la Divisione Elettronica Quantistica e Fotonica di PML a Boulder, CO, gran parte del recente sforzo è stato dedicato alla crescita e alla caratterizzazione di nanofili di GaN di altissima qualità - "alcuni dei migliori, se non il migliore, nel mondo, "dice Norman Sanford, co-leader del progetto Semiconductor Metrology for Energy Conversion.
Il GaN emette luce quando fori ed elettroni si ricombinano in una giunzione creata drogando il cristallo per creare regioni di tipo p e di tipo n. Questi strati sono formati da una varietà di metodi di deposizione, tipicamente su un substrato di zaffiro o carburo di silicio. I metodi convenzionali producono cristalli con densità di difetti relativamente elevate. Sfortunatamente, difetti nel reticolo limitano l'emissione di luce, introdurre rumore di segnale, e portare a guasti prematuri del dispositivo.
La squadra di Boulder, al contrario, fa crescere nanofili di GaN esagonali praticamente privi di difetti molto lentamente da una base di silicio. Il loro metodo di deposizione è l'epitassia a fascio molecolare (MBE) che consente ai nanofili di formarsi spontaneamente senza l'uso di particelle di catalizzatore. Sebbene le particelle di catalizzatore siano ampiamente utilizzate per la crescita dei nanofili, lasciano tracce di impurità che possono degradare il GaN. Occorrono dai due ai tre giorni affinché le strutture raggiungano una lunghezza di circa 10 micrometri (circa un decimo dello spessore di un capello umano), ma l'attesa ripaga perché la struttura cristallina è quasi perfetta.
Tra gli altri vantaggi, i cristalli impeccabili producono più luce. "Ora, per la prima volta, l'elettroluminescenza di un singolo LED a nanocavo GaN è sufficientemente luminosa da poter misurare il suo spettro e tracciare lo spettro con la corrente di pilotaggio per vedere prove di riscaldamento, ", afferma il co-leader del progetto Kris Bertness. "Non ci sono altri esempi di spettri di elettroluminescenza da un singolo nanofilo di GaN coltivato con MBE in letteratura".
Una "foresta" di nanofili
Il GaN e il relativo sistema di leghe (compresi i semiconduttori contenenti indio e alluminio) costituiscono la base dell'industria dell'illuminazione a stato solido in rapida espansione. Potrebbe muoversi più velocemente, gli esperti credono, se l'industria potesse sviluppare un metodo economico per coltivare materiale a bassa densità di difetti.
"I LED convenzionali a base di GaN coltivati su substrati economici ma non reticolati (come lo zaffiro) soffrono di inevitabili deformazioni e difetti che compromettono l'efficienza, " dice Sanford. "Inoltre, l'estrazione della luce dalle strutture LED planari convenzionali (piatte) è impedita dalla riflessione interna totale, con conseguente spreco di fotoni che vengono intrappolati nel dispositivo anziché irradiarsi verso l'esterno come luce utile."
La tecnologia LED nanowire GaN offre miglioramenti significativi poiché i fili crescono essenzialmente privi di deformazioni e difetti e dovrebbero quindi consentire dispositivi fondamentalmente più efficienti. Per di più, la morfologia fornita da una "foresta" di LED a nanofili densamente disposti offre miglioramenti nell'efficienza di estrazione della luce di queste strutture rispetto alle loro controparti planari.
Testare e misurare queste e altre proprietà, però, pone sfide significative. "Il GaN di tipo P è difficile da coltivare con qualsiasi metodo di crescita comune, " dice Bertness. "E ciò che risulta essere molto difficile è stabilire buoni contatti elettrici con il nanofilo, perché non è piatto, e il suo spessore è maggiore della maggior parte delle pellicole metalliche utilizzate per contattare le pellicole planari.
"Questa geometria 3D incoraggia la formazione di vuoti e l'intrappolamento di impurità chimiche vicino ai contatti, entrambi i quali degradano il contatto, a volte al punto da essere inutilizzabile. Questa è un'area su cui stiamo indagando attivamente".
Il team sta cercando modi per far crescere nanofili in array regolari, con un attento controllo della spaziatura e delle dimensioni di ogni singolo filo. Recentemente hanno scoperto che creando uno schema a griglia di aperture dell'ordine di 200 nanometri di larghezza in uno "strato maschera" di nitruro di silicio posto sul substrato, potrebbero ottenere una crescita selettiva di fili altamente regolari. La capacità di produrre modelli ordinati di dispositivi GaN uniformi, Bertness dice, "è essenziale per una produzione affidabile."
Struttura di un nanofilo di GaN di tipo n cresciuto da MBE e rivestito in un guscio sottile di GaN di tipo p cresciuto mediante epitassia in fase vapore di alogenuri. Credito:Aric Sanders e Albert Davydov/MML
GaN non è solo una fonte di luce. Ha anche molteplici usi in diversi campi. "Un'altra cosa bella del GaN è che è insensibile alle alte temperature, "dice Robert Hickernell, leader del gruppo di produzione optoelettronica, che include il progetto Semiconductor Metrology. "Questo è un vantaggio per le applicazioni ad alta potenza elettrica". Il gruppo sta anche studiando transistor ad effetto di campo (FET) a nanofili per misurare con precisione le proprietà di trasporto del vettore. "E abbiamo FET a nanofili GaN che sono alcuni dei migliori dispositivi di ricerca al mondo".
Inoltre, I nanofili di GaN sono meccanicamente robusti. Molto robusto:quattro anni fa, una collaborazione PML-Università del Colorado ha fatto notizia producendo nanofili con fattori di straordinaria qualità che li rendono oscillatori potenzialmente eccellenti. "In un lontano futuro, "Hickernell dice, "potrebbero essere utilizzati nelle applicazioni dei telefoni cellulari come micro-risonatori".
La combinazione di un elevato fattore di qualità meccanica e di una massa ridotta li rende anche in grado di rilevare masse nell'intervallo dei sub-attogrammi. I collaboratori della PML dell'Università del Colorado sono fiduciosi di poter estrapolare gli attuali esperimenti a circa 0,01 attogrammi, o 10 zeptogrammi di sensibilità. (Per confronto, la massa di un virus è dell'ordine di 1 attogrammo, o 10-18 grammi.) Non sono ancora state effettuate misurazioni dirette su quella scala.
All'inizio di quest'anno, Bertness, I collaboratori di Sanford e CU hanno utilizzato la piezoresistenza nativa di GaN per misurare la risposta in frequenza in nanofili allungati su uno spazio di 10 micrometri. I risultati hanno mostrato che i dispositivi avevano "un'utilità immediata in applicazioni di rilevamento di massa e forza ad alta risoluzione, " hanno scritto i ricercatori nel loro rapporto pubblicato.
Il team pensa che sia possibile realizzare "una nuova classe di sonde di scansione multifunzione indirizzabili elettricamente, " Bertness spiega. "Per esempio, NSOM convenzionale si basa su una punta ottica di scansione con un diametro di apertura compreso tra 10 e 100 nanometri che è formata all'estremità rastremata di una fibra ottica passiva. Queste punte sono meccanicamente e chimicamente fragili e hanno una vita utile molto breve, da ore a giorni. D'altra parte, Gli strumenti NSOM basati su nanocavi GaN possono potenzialmente offrire un funzionamento multifunzione indirizzabile elettricamente che combina emissione ottica, rilevamento ottico, Funzionalità AFM e RF-AFM."
Finalmente, I nanofili di GaN sono anche adatti per l'uso in chimica, biologico, e rilevamento del gas. Il lavoro collaborativo in corso tra il team e il Laboratorio di misurazione dei materiali del NIST sta producendo risultati interessanti con i nanofili di GaN utilizzati in tandem con nanocluster di biossido di titanio per rilevare composti aromatici come benzene e toluene. "Inoltre, il nostro progetto ha svolto alcuni lavori preliminari (pubblicati) con nanofili di GaN funzionalizzati per molecole biologiche, " Dice Sanford. "Vari altri gruppi in tutto il mondo stanno perseguendo una tecnologia di sensori simile utilizzando dorsali di nanofili di GaN".
