Νανοδομημένοι Σύνθετοι Ημιαγωγοί για Καινοτόμες Εφαρμογές στο Φωτισμό και την Ενέργεια

Transcript

1 Κύκλος ενημερωτικών διαλέξεων για Φοιτητές και Φοιτήτριες με τίτλο: «Η Έρευνα στο Τμήμα Φυσικής» Νανοδομημένοι Σύνθετοι Ημιαγωγοί για Καινοτόμες Εφαρμογές στο Φωτισμό και την Ενέργεια Γιώργος Δημητρακόπουλος Επίκουρος Καθηγητής του Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης 11 Μαρτίου 2009, Αίθουσα Α31

2 Οι φωτονικές διατάξεις παίζουν σημαντικό ρόλο σε πληθώρα εφαρμογών στο φωτισμό, τα πολυμέσα, τη μετάδοση δεδομένων, την αποθήκευση πληροφορίας, κλπ. Aυτό οφείλεται στην τεχνολογική πρόοδο στην ανάπτυξη και κατεργασία νανοδομών σύνθετων ημιαγωγών, κυρίως ημιαγωγών ΙΙΙ V. Οι σημαντικότερες φωτονικές διατάξεις είναι οι κρυσταλλοδίοδοι φωτοεκπομπής (Light Emitting Diodes LED) και Laser, οι οποίες βασίζονται στη δίοδο p n.

3 Δομή παρουσίασης: I. Φωτονικές διατάξεις p n: Αρχές λειτουργίας και ιστορική αναδρομή II. Εφαρμογές και προοπτικές III. Ερευνητικά προβλήματα

4 Ημιαγωγός τύπου N Ημιαγωγός τύπου P Ηλεκτρόνια Οπές Ε c Ε v Δότες Zώνη Σθένους Ε g Δέκτες Ζώνη Αγωγιμότητας

5 Η κρυσταλλοδίοδος LED Aυθόρμητη εκπομπή ακτινοβολίας λόγω της έγχυσης φορέων μειονότητας κατά την ορθή πόλωση επαφής PN, ακολουθούμενη από ενεργές επανασυνδέσεις ηλεκτρονίωνοπών. p GaN Eνεργός περιοχή n GaN Θερμικές απώλειες Ε F Ε c Ε v Υπόστρωμα Αl 2 O 3 Κύριο εκπεμπόμενο μήκος κύματος λ hc E g E c hc E v hv Ε c Ε v

6 Η δίοδος LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Ενίσχυση μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας Ε c Αυθόρμητη εκπομπή Ε v hv hv hv hv Προϋπόθεση: Αντιστροφή πληθυσμού (περισσότερες εν. καταστάσεις κατειλλημένες στη ζώνη αγωγιμότητας απ ότι στη ζώνη σθένους) Απαιτείται υψηλή πυκνότητα προσμίξεων (>10 19 cm 3 ) 19 cm Kύρια πλεονεκτήματα: Σύμφωνη ακτινοβολία καθορισμένου μήκους κύματος Υψηλή απόδοση και μικρό μέγεθος Σταθερότητα και μεγάλος χρόνος ζωής

7 Σύνθετοι ημιαγωγοί UV IR InGaN AlGaAs AlInGaP Mπλέ, Ιώδες, «Λευκό» Eρυθρό, Πορτοκαλί, Κίτρινο

8 Eτεροδομές Νανοδομές Διπλή ετεροδομή Περιορισμός των φορέων σε πηγάδι δυναμικού ώστε να αυξάνονται οι ενεργές επανασυνδέσεις. hv Ε c Ε v Αν το πάχος της ενεργού περιοχής γίνει <~20 nm Ετεροδομές κβαντικών φρεάτων (Quantum Well heterostructures) O περιορισμός των φορέων κατά μία διάσταση προκαλεί κβαντισμό των επιτρεπτών ενεργειακών σταθμών κατά την κάθετη στο QW διεύθυνση. Mε τηχρήσηκβαντικών συρμάτων (Quantum Wires/Nanowires) και κβαντικών τελειών (Quantum Dots) επιτυγχάνεται περιορισμός κατά 2 ή 3 διαστάσεις αντίστοιχα. Υψηλή μονοχρωματικότητα, υψηλή απόδοση, χαμηλό ρεύμα κατωφλίου

9 InGaN wells 1 nm GaN barriers ~ 18 nm Δομή ενός μπλέ LED Ενεργός περιοχή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων AlN/GaN superlattice AlN buffer ~ 30 nm AlN buffer ~ 30 nm AlN/GaN superlattice Si (111) substrate

10 InGaN wells 1 nm InGaN/GaN QW n-gan GaN barriers ~ 18 nm superlattice g Δομή ενός μπλέ LED Ενεργός περιοχή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων AlN/GaN superlattice GaN AlN buffer ~ 30 nm AlN buffer ~ 30 nm 100 nm AlN buffer AlN/GaN superlattice GaN Si (111) substrate

11 InGaN wells 1 nm InGaN/GaN QW g p-gan n-gan GaN barriers ~ 18 nm superlattice g Δομή ενός μπλέ LED Ενεργός περιοχή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων InGaN wells GaN barriers n-gan 100 nm AlN/GaN superlattice GaN AlN buffer ~ 30 nm AlN buffer ~ 30 nm AlN buffer AlN/GaN superlattice GaN Si (111) substrate 20 nm

12 Κβαντικά φρέατα AlN/GaN Το δείγμα αποτελείται από κβαντικά φρέατα GaN και φράγματα AlN. Το πάχος των φρεάτων είναι 25 Å και το πάχος των φραγμάτων 40 Å. Mέθοδος ανάπτυξης: RF plasmaassisted MBE Νιτρίδωση στους 800 C Ανάπτυξη AlN buffer στους 870 ο C. Aνάπτυξη νανο-ετεροδομής στους 770 ο C. 35 GaN GaN GaN GaN GaN AlN 0.1 μm AlN AlN AlN AlN AlN 1 μm Σάπφειρος

13 Κβαντικά φρέατα AlN/GaN Το δείγμα αποτελείται από κβαντικά φρέατα GaN και φράγματα AlN. Το πάχος των φρεάτων είναι 25 Å και το πάχος των φραγμάτων 40 Å. Mέθοδος ανάπτυξης: RF plasmaassisted MBE Νιτρίδωση στους 800 C Ανάπτυξη AlN buffer στους 870 ο C. Aνάπτυξη νανο-ετεροδομής στους 770 ο C. 35 GaN GaN GaN GaN GaN AlN 0.1 μm AlN AlN AlN AlN AlN 1 μm Σάπφειρος

14 Μέθοδοι Ανάπτυξης Επιταξία με Μοριακές Δέσμες (Molecular Beam Epitaxy MBE) Η ανάπτυξη καθορίζεται από την κινητική των επιφανειακών διεργασιών σε περιβάλλον υπερ υψηλού κενού. Παρέχει καλές διεπιφάνειες, καλό έλεγχο της σύστασης και του πάχους, χαμηλές θερμοκρασίες. Μειονεκτήματα: Χαμηλός ρυθμός ανάπτυξης (~ 1ΜL/s) 1 L/s), Υψηλό κόστος, Tραχύτητα διεπιφανειών και ατέλειες δομής. Eπιταξία από τη φάση των μεταλλοργανικών ατμών (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy MOVPE) Η πιο διαδεδομένη εμπορικά τεχνική με υψηλό ρυθμό ανάπτυξης. Παρέχει επιταξιακά υμένια και ετεροδομές με υψηλή ποιότητα και ομοιογένεια. Βασίζεται στη αντίδραση ατμών επάνω στην επιφάνεια θερμαινόμενου υποστρώματος. Απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες και καθορίζεται από κινητικές, θερμοδυναμικές και χημικές διεργασίες. Μειονεκτήματα: Υψηλή τοξικότητα και ευφλεκτότητα των αντιδρώντων. Προβλήματα λόγω της υψηλής θερμοκρασίας (θερμικές τάσεις, αλληλοδιάχυση).

15 Σύντομη ιστορική αναδρομή 1962: Πρώτο LED (E. Holonyak at GE) lumen 1962: Πρώτες δίοδοι LASER ( nm, AlxGa1 xas/gaas) xas/gaas) (MIT, IBM, GE) Δεκαετία 1960: Κόκκινα GaAs LEDs 0.01 lumen Δεκαετία 1980: Ερυθρά, πορτοκαλί και κίτρινα LED & LASER 1989: Έρευνα για το μπλέ χρώμα ~ ερευνητές στο ZnSe λόγω της πολύ καλής κρυσταλλικής ποιότητας (πυκν. εξαρμόσεων <10 3 cm 2 ) ~10 ερευνητές στο GaN λόγω της πολύ κακής κρυσταλλικής ποιότητας (πυκν. εξαρμόσεων ~ cm 2 ) 10 cm 1993: Πρώτο εμπορικό Μπλέ ΙΙΙ Ν LED (S. Nakamura at Nichia) 1 lumen 1997: «Λευκά» LED (μπλέ( με επικάλυψη φωσφόρου) 2002: Εμπορικά «Λευκά» LED Αρχές δεκαετίας 2000: lumen 2005: 1000 lumen (multichip packages) Γενικευμένες εφαρμογές φωτισμού

16 I. Φωτονικές διατάξεις p n: Αρχές λειτουργίας και ιστορική αναδρομή II. Εφαρμογές και προοπτικές III. Ερευνητικά προβλήματα

17 Πρώτες χρήσεις των LED. Οι πρόσφατες εξελίξεις στη βελτίωση της ποιότητας και της απόδοσης των ετεροδομών GaInN/GaN (μικρά μ.κ.).) και AlGaInP (μεγάλα μ.κ.).) επέτρεψαν τη σημαντική επέκταση των εφαρμογών.

18 Οπτική αποθήκευση δεδομένων Mήκος κύματος (nm) Xωρητικότητα Χωρητικότητα dual layer CD (IR) DVD (κόκκινο( κόκκινο) Blu ray MB 4.7 GB 27 GB 17 GB 54 GB Άλλες εφαρμογές των Laser: Ιατρική (χειρουργικά laser) Οπτική μετάδοση δεδομένων, Εκτυπώσεις, φωτοτυπικές μηχανές, scanners.

19 Εφαρμογές γενικού φωτισμού και εικόνας μεγάλης κλίμακας

20 Εφαρμογές λευκού φωτισμού

21 Τρόποι παραγωγής λευκού φωτός με LED Επικάλυψη με φώσφορο Λευκό φως Μπλε LED Χαμηλότερο κόστος, μερίδιο αγοράς 90%, 100 lm/w, ψυχρός φωτισμός Λαμπτ. πυρακτώσεως Ηλιακό φως Χρωματικό διάγραμμα. Ανάμειξη χρωμάτων RYGB White Mixing Optics RYGB LEDs Καλή απόδοση Υψηλό κόστος Καθοριζόμενο χρώμα

22 Φωτεινή ροή (luminous flux) L o όπου L o = 683 lm/w, V(λ) η σχετική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού και P op (λ) το φάσμα ισχύος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Φωτεινή απόδοση (luminous efficiency) n lu V P op φωτεινή ροή εισαγόμενη ηλεκτρική ισχύς d L o V (lm) Μέγιστη ευαισθησία ανθρ. Οφθαλμού > > 555 nm (πράσινο( πράσινο) P VI op d V(λ)

23 Εσωτερική κβαντική απόδοση (Internal Quantum Efficiency IQE) αριθμός εσωτερικά εκπεμπόμενων φωτονίων n in αριθμός διερχόμενων φορέων n Eξωτερική κβαντική απόδοση (External Quantum Efficiency EQE) ex αριθμός εξωτερικά εκπεμπόμενων φωτονίων αριθμός διερχόμενων φορέων όπου n op = οπτική απόδοση ή απόδοση εξαγωγής n in n op n p Απόδοση ισχύος (Power efficiency) εξαγόμενη φωτεινή ισχύς εισαγόμενη ηλεκτρική ισχύς αριθμός εξωτερικά εκπεμπόμενων φωτονίων hv I V αριθμός εξωτερικά εκπεμπόμενων φωτονίων hv αριθμός διερχόμενων φορέων qv Επειδή για την εφαρμοζόμενη τάση είναι qv ~ hv προκύπτει n p ~n ex

24 Εξέλιξη της απόδοσης των LED Πηγή: S. Nakamura, Millennium New Materials Seminar, Mikkeli, Finland, 2007

25 Φωτ. πηγή Φωτ. πηγή Τυπικός χρόνος ζωής (ώρες) Πυρακτώσεως Αλογόνου CFL Φθορισμού Xρήσιμος χρόνος λειτουργίας 70 ) (ώρες) (L 70 Λευκά LED Αναμενόμενος > (δηλαδή ~11 έτη) Πηγή: Απόδοση Πυρακτώσεως 1 4% Φθορισμού 15 25% LED 25 52% 52%

26 Τρέχον Προσεγγιστικό Ετήσιο και Πενταετές KόστοςΧρήσηςΛαμπτήρων Τύπος πηγής 1 έτος ( ) 5 έτη ( ) Πυρακτώσεως 60 W CFL lm/w λευκό LED Υπολογισμός με βάση χρήση 8h/ημέρα, κόστος ηλ. ρεύματος /kwh Πηγή: Πηγή: Color Kinetics

27 Πλεονεκτήματα της χρήσης LED III N για γενικό φωτισμό Πολύ υψηλή ενεργειακή απόδοση (έως 90% λιγότερες απαιτήσεις σε ενέργεια) Μεγάλος χρόνος ζωής (> ώρες ενώ για λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι ~1000 ώρες Πολύ μικρότερη εκπομπή θερμότητας Μικρό μέγεθος (<5 mm) Koμψότητα Aντοχή (δεν υπάρχει γυαλί, νήμα) Δεν περιέχουν τοξικά υλικά Δεν εκπέμπουν ακτινοβολία UV/IR Χρωματική ευελιξία Γρήγορη απόκριση

28 Οι γυάλινοι λαμπτήρες είναι ένα τεχνολογικό απολίθωμα ηλικίας >100 ετών. Δεν είναι αποδοτικοί, έχουν μικρό χρόνο ζωής, είναι εύθραυστοι, ανακυκλώνονται δύσκολα και προκαλούν ζημιά στο περιβάλλον. Kατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας Electronics 9% Ventilation 4% Appliances 7% Refrigeration 11% Space Cooling 17% Computers 3% Space Heating 10% Water Heating 9% Lighting 30% Παγκόσμια κατανάλωση ηλ. ενέργειας για φωτισμό (2005) = 2650 TWh Κόστος 234 δις δολλάρια 1900 Μtonnes CO 2 / έτος (~70% των εκπομπών όλων των αυτοκινήτων) Μέχρι το 2030 αναμένεται διπλασιασμός της κατανάλωσης για φωτισμό που αντιστοιχεί σε CO 2 ίσο με το 200% των σημερινών συνολικών εκπομπών όλων των αυτοκινήτων. Πηγές: C.J. Humphreys MRS Bulletin, Vol. 33 (2008), Building Technology Program Core Databook, August

29 ~ 25 30% της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται για φωτισμό. Το 50% αυτής της ενέργειας μπορεί να εξοικονομηθεί με τη μετάβαση στο SSL μέχρι το Τα LED είναι οι πιο αποδοτικές πηγές φωτισμού σε όλο το ορατό φάσμα. H μετάβαση στο SSL θα εξοικονομήσει ενέργεια ισοδύναμη με την παραγωγή ~100 πυρηνικών εργοστασίων μειώσει τις εκπομπές CO 2 κατά >600 εκατομ. τόννους ετησίως Νομοθετική απαγόρευση των λαμπτήρων πυρακτώσεως Ευρ. Ένωση 2010 Καναδάς 2012 Ην. Πολιτείες 2014 Πηγή:

30 Ωφέλειες από τη χρήση LED στον τρίτο κόσμο 2 δις άνθρωποι δεν έχουν ηλ. ρεύμα. Χρησιμοποιούν κηροζίνη για το φωτισμό και πληρώνουν 5000 φορές περισσότερα απ ότι αν χρησιμοποιούσαν GaN LEDs. Κόστος κηροζίνης στον αναπτυσσόμενο κόσμο για φωτισμό: 50 δις δολλάρια Οι εκπομπές CO 2 απότοφωτισμόχωρίςηλεκτρικήενέργειααντιστοιχούνστο 20% των ρύπων λόγω φωτισμού Ηαπόδοσηείναιμόλις0.03 lm/w, ενώ ο μέσος χωρικός ξοδεύει περίπου το 10 25% του ετήσιου εισοδήματός για κηροζίνη. Η χρήση κηροζίνης προκαλεί αμέτρητες φωτιές κάθε χρόνο. Πηγές: lutw.org eurotechnology.com/market_reports/bluelaser/

31 I. Φωτονικές διατάξεις p n: Αρχές λειτουργίας και ιστορική αναδρομή II. Εφαρμογές και προοπτικές III. Ερευνητικά προβλήματα

32 Οι σημερινές τεχνολογικές προκλήσεις Για εφαρμογές λευκού φωτισμού απαιτείται φωτεινή ισχύς αρκετών εκατοντάδων lumen. Πρέπει να αυξηθεί η απόδοση στα >~200 lm/w Πρέπει να αυξηθεί η επιφάνεια και ο αριθμός των διόδων ανα επιφάνεια. Πρέπει να μειωθεί το ΚΟΣΤΟΣ. Κλείσιμο του πράσινου χάσματος Έλεγχος των δομικών ατελειών Εκμετάλευση νανοδομών Βελτιστοποίηση της ανάπτυξης σε wafer Si. 50 mm wafer GaN = $ 300 mm wafer Si = 200$ Περίπου 1000 κρυσταλλοδίοδοι μπορούν να αναπτυχθουν σε ένα wafer 50 mm. Ένα Blu ray DVD recorder κοστίζει ~3000 $

33 Η έρευνα στο Eργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας (elmiclab.physics.auth.gr) του Τομέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης του Τμήματος Φυσικής: Διεπιφανειακή Δομή σε Ατομικό Επίπεδο και Δομικές Ατέλειες Σύνθετων Ημιαγωγών Νιτριδίων Καθηγητές: Φ. Κομνηνού, Θ. Καρακώστας Επικ. Καθηγητές: Θ. Κεχαγιάς, Γ. Δημητρακόπουλος Δρ. Ερευνητής: Ι. Κιοσέογλου Mεταδιδάκτορες: S. L. Sahonta, A. Δελημήτης Υπ. Διδάκτορες: J. Smalc, E. Kαλεσάκη, Α. Λοτσάρη PARSEM : Marie Curie RTN (parsem.physics.auth.gr) Συντονίζουσα ομάδα ΕΥ: Φ. Κομνηνού Ανάπτυξη νανοδομών ΙΙΙ Ν με MBE: Παν.Κρήτης & FORTH ΙΗΔΛ

34 Ολοκληρωμένη μεθοδολογία μελέτης σε ατομική κλίμακα Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης Συμβατική (TEM), Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας (HRTEM) και ποσοτική (qhrtem) Τοπολογική ανάλυση Ανισοτροπική ελαστικότητα Προσομοίωση εικόνας Ταυτοποίηση Μοντέλου Αρχικά Μοντέλα Χαρακτηρισμός Ενεργειακοί υπολογισμοί μεγάλης ή μικρής κλίμακας (εμπειρικοί ή ab initio) (λ) (μ) V( ) j V( ) i

35 Eλαστική παραμόρφωση στη νανοκλίμακα λόγω δομικών και θερμικών τάσεων 3 nm 5 nm AlN Μετρήσεις τετραγωνικής παραμόρφωσης σ σ σ GaN GaN Συνέπειες: Εισαγωγή ατελειών Θραύση του υμενίου Πρέπει να προσδιορίζονται τα κρίσιμα πάχηκαιοιεπιδράσειςτης παραμόρφωσης στην οπτοηλεκτρονική συμπεριφορά.

36 Al 0.2 Ga 0.8 N/GaN Multi Quantum Wells Xάρτης παραμόρφωσης B=[1100] Μέση περίοδος: N a =23.2±2 ML Πάχος φρεάτων: 6 GaN ML AlGaN: ε= 1.5% (μ.ο.) Προφίλ παραμόρφωσης κατά c Al content: x~22%

37 Μηχανισμοί απορρόφησης της δομικής παραμόρφωσης στη διεπιφάνεια Εικόνες HRTEM διεπιφανειών υποστρώματος Al 2 O 3 με υμένια GaN και AlN (προβολή κατά <2110>e/<1010>s) (α) Διεπιφάνεια μεταξύ υποστρώματος σαπφείρου μετά από νιτριδίωση χαμηλή θερμοκρασίας και στρώματος πυρηνοποίησης GaN χαμηλής θερμοκρασίας. (β) Διεπιφάνεια μεταξύ υποστρώματος σαπφείρου μετά από νιτριδίωση χαμηλή θερμοκρασίας και στρώματος πυρηνοποίησης ΑlN χαμηλής θερμοκρασίας. (α) Διεπιφάνεια μεταξύ υποστρώματος σαπφείρου μετά από νιτριδίωση υψηλής θερμοκρασίας και στρώματος πυρηνοποίησης GaN χαμηλής θερμοκρασίας.

38 Πλαστική παραμόρφωση με εισαγωγή εξαρμόσεων συναρμογής (πάχος>h c ) Οι αντίστοιχες εικόνες μετά από Fourier filter όπου αναδεικνύονται οι σειρές των εξαρμόσεων συναρμογής. Ισαποστάσεις εξαρμόσεων (a) Al 2 O 3 -> % -> υπολ. θλιπτική παραμ. (b) 9-9 Al 2 O 3 -> % -> υπολ. θλιπτική παραμ. (c) 9-9 Al 2 O 3 -> διάχυτη ενδιάμεση στρώση AlN

39 Συναρμογή σε πολικές διεπιφάνειες InN/GaN Max. Επίπεδη παραμόρφωση = 10.9% Γεωμετρική διεπιφάνεια με περιοδικό δικτύωμα. GaN InN [0001]

40 Προσομοιωμένα μοντέλα των διεπιφανειών (Al,In)N/GaN GaN GaN GaN GaN Χαρτογράφηση της περίσσειας ενέργειας για το στρώμα των ατόμων Ga στη διεπιφάνεια (προβολή κατά [0001]). Δίνονται οι διευθύνσεις τωνεξαρμόσεωνσυναρμογής.

41 Δημιουργία νηματοειδών εξαρμόσεων AlN AlN GaN

42 Δημιουργία νηματοειδών εξαρμόσεων - Συσσωμάτωση νησίδων κατά την ανάπτυξη AlN AlN GaN Διάδοση με ολίσθηση

43 Σφάλματα επιστοίβασης και κλασματικές εξαρμόσεις b e y 1 / 2 [ 0001 ]

44 Σφάλματα επιστοίβασης και κλασματικές εξαρμόσεις 0002 g b e y 1 / 2 [ 0001 ]

45 Σφάλματα επιστοίβασης και κλασματικές εξαρμόσεις 0002 g b e y 1 / 2 [ 0001 ]

46 Δομικός χαρακτηρισμός και μελέτη της επίδρασης τωνεξαρμόσεωνμε προσομοιώσεις με εμπειρικά δυναμικά και ab initio μεθόδους Δομές κλασματικών εξαρμόσεων στο GaN και ενδιάμεσες στάθμες στο ενεργειακό χάσμα.

47 Σύγκριση πειραματικών και θεωρητικών μοντέλων 5/7 or 12 atom ring 8 atom ring

48 Ωφέλη από τη μείωση της πυκνότητας των εξαρμόσεων Αύξηση της απόδοσης μέσω της δραστικής μείωσης των μη ενεργών επανασυνδέσεων ηλεκτρονίων οπών. Επέκταση της λειτουργίας των κρυσταλλοδιόδων ΑlN/GaN στην περιοχή του UV. Δραστική μείωση του κόστους με την ανάπτυξη επάνω σε υποστρώματα πυριτίου. 0.5 μm GaN [11-20] AlN x 15 nm AlN GaN AlN Si 30 nm AlN silicon (111) 2 nm

49 Το πρόβλημα της πολικότητας Κρυσταλλική δομή βουρτσίτη (P6 3 mc) [0001] c Ατέλειες: Νανοσωλήνες ανάστροφης πολικότητας b Ba b A B a A N Ga AlN GaN 10 nm

50 Η παραμόρφωση λόγω της συναρμογής δημιουργεί ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο (της τάξης των MV/cm) λόγω του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. διαχωρισμός των ηλεκτρονίων από τις οπές Συγκέντρωση In μείωση των ενεργών δραματική μείωση της απόδοσης. επανασυνδέσεων «Πράσινο χάσμα» c Κβαντικό φρέαρ χωρίς εσωτερικό ηλ. πεδίο Μη-πολικό Κβαντικό φρέαρ με εσωτερικό ηλ. πεδίο Πολικό c V(λ)

51 Αναμενόμενες Εφαρμογές από την αντιμετώπιση του πράσινου χάσματος Πηγή: S. Nakamura, Millennium New Materials Seminar, Mikkeli, Finland, 2007 High Definition Laser TV Ολογραφική απεικόνιση Πολύ αποδοτικά λευκά LED τριχρωμίας Miniature projectors

52 Προσεγγίσεις αντιμετώπισης: (α) Ανάπτυξη σε μη πολικές ή μερικά πολικές διευθύνσεις f = 1.2% f = 16% Nonpolar A plane GaN on R plane sapphire

53 (β) Χρήση κβαντικών τελειών και υπέρ λεπτων φρεάτων Εξαιρετικός περιορισμός φορέων, καθορισμός μήκους κύματος και μείωση εύρους συχνοτήτων. Δύο τρόποι ανάπτυξης QDs: Aπ ευθείας εναπόθεση: Συνδυασμός νανολιθογραφίας και εγχάραξης Αυτό οργανoύμενη ανάπτυξη:3d ανάπτυξη νησίδων (Stranski Krastanow) p GaN InN GaN g InGaN wells GaN barriers n GaN 20 nm

54

55 GaN QDs σε μερικά πολικό AlN (a)

56 (γ) Ανάπτυξη νανοσυρμάτων Tα NW μπορούν να είναι απαλλαγμένα από πεδία παραμόρφωσης. Επιτυγχάνεται πολύ καλός περιορισμός των φορέων Έχουν μεγάλο λόγο επιφάνειας/όγκου Μπορούν να συνδυαστούν πολύ καλά με την ICT. Mηχανισμός VLS Προσπίπτοντα Ga + N NWs Προσπίπτοντα Ga + N NWs Πυρήνες Ni Al 2 O 3? Si

57 GaN/(0001)Al 2 O 3 Καταλυτική επιταξιακή ανάπτυξη MBE με καταλύτη νικελίου. Αξονική ανάπτυξη υπό συνθήκες περίσσειας N. Ακτινική πάχυνση υπό συνθήκες περίσσειας Ga. σάπφειρος

58 Η ανάλυση fft των εικόνων HRTEM έδειξε ότι τα νανοσωματίδια του καταλύτη έχουν κυβική δομή και ενδοπλεγματικές αποστάσεις που αντιστοιχούν σε NiO ή φάση Ni-Ga-O.

59 Η ανάλυση fft των εικόνων HRTEM έδειξε ότι τα νανοσωματίδια του καταλύτη έχουν κυβική δομή και ενδοπλεγματικές αποστάσεις που αντιστοιχούν σε NiO ή φάση Ni-Ga-O.

60 GaN και InN NWs σε Si(111) (0001) (111) 50 nm InN 0001] // [111] Si, [1120] // Si [110] InN d InN 0002 Si (111) 5 nm d Si (111) Άμορφη ζώνη Si x N y

61 InGaN NWs/Si(111) eV G G G eV G eV PL(a.u.) meV PL(a.u.) 5000 PL meV PL(a.u.) 420meV ev) ev) nm,20K (nm) Πηγή: Α. Γεωργακίλας ev) G eV G1465 PL(a.u.) eV PL(a.u.) meV 358meV ev) ev) Πηγή: Kim et al., NanoLetters 2004

62 Σύνοψη Οι νανοδομημένοι σύνθετοι ημιαγωγοί ΙΙΙ Ν υπόσχονται σημαντικές νέες εφαρμογές. Ειδικά για το φωτισμό και την ενέργεια προβλέπεται μέσα σε χρόνια: Αύξηση της απόδοσης κατά 15 φορές αυτή των λαμπτήρων. πυρακτώσεως και κατά 5 φορές αυτή των CFL. Xρόνος ζωής ~ ώρες. Σημαντικήμείωσητουκόστους. Έλεγχος και βελτιστοποίηση του εκπεμπόμενου φάσματος συχνοτήτων. Για την ανάπτυξη προηγμένων ημιαγωγικών νανοδομών απαιτείται η κατανόηση και ο έλεγχος των διεπιφανειών, των ατελειών και των σχετικών μηχανισμών σε ατομική κλίμακα. Στη μοντέρνα θεώρηση, είναι αναγκαίο η πειραματική πληροφορία να συνδυάζεται αμφίδρομα και με ολοκληρωμένο τρόπο με προηγμένες τεχνικές προσομοίωσης.

63 Κύκλος ενημερωτικών διαλέξεων για τους Φοιτητές και Φοιτήτριες με τίτλο: «Η Έρευνα στο Τμήμα Φυσικής» Το μέλλον προβλέπεται λαμπρό! Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας! Ερωτήσεις ;;