El láser de nanocables de GaN bombeado ópticamente se muestra en naranja brillante. La salida real del láser es UV (~ 370 nm) e invisible a simple vista. La longitud del nanoalambre láser es de aproximadamente 10 micrómetros y el diámetro es de aproximadamente 200 nm. La punta de la sonda de metal en la parte superior de la imagen se usa para examinar los efectos de proximidad en las propiedades de láser del nanoalambre. En la imagen también se ven otros nanocables (no láser).
Los nanocables de nitruro de galio cultivados por científicos de PML pueden tener solo unas pocas décimas de micrómetro de diámetro, pero prometen una amplia gama de aplicaciones, desde nuevos diodos emisores de luz y láseres de diodos hasta resonadores ultrapequeños, sensores químicos, y puntas de sonda atómica altamente sensibles.
En las dos décadas transcurridas desde que GaN se empleó por primera vez en un LED comercialmente viable, marcando el comienzo de un futuro deslumbrante para la iluminación de baja potencia y los transistores de alta potencia, el semiconductor III-V se ha producido e investigado de numerosas formas, tanto en forma de película delgada como de nanocables.
En la División de Electrónica Cuántica y Fotónica de PML en Boulder, CO, gran parte del esfuerzo reciente se ha dedicado a cultivar y caracterizar nanocables de GaN de muy alta calidad:"algunos de los mejores, si no es el mejor, en el mundo, "dice Norman Sanford, codirector del proyecto de Metrología de Semiconductores para la Conversión de Energía.
GaN emite luz cuando los huecos y los electrones se recombinan en una unión creada al dopar el cristal para crear regiones de tipo py de tipo n. Estas capas están formadas por una variedad de métodos de deposición, típicamente sobre un sustrato de zafiro o carburo de silicio. Los métodos convencionales producen cristales con densidades de defectos relativamente altas. Desafortunadamente, defectos en la rejilla limitan la emisión de luz, introducir ruido de señal, y provocar una falla temprana del dispositivo.
El equipo de Boulder, por el contrario, Los nanocables hexagonales de GaN prácticamente libres de defectos crecen muy lentamente a partir de una base de silicio. Su método de deposición es la epitaxia de haz molecular (MBE) que permite que los nanocables se formen espontáneamente sin el uso de partículas de catalizador. Aunque las partículas de catalizador se utilizan ampliamente para el crecimiento de nanocables, dejan rastros de impurezas que pueden degradar el GaN. Se necesitan de dos a tres días para que las estructuras alcancen una longitud de alrededor de 10 micrómetros (aproximadamente una décima parte del grosor de un cabello humano), pero la espera vale la pena porque la estructura cristalina es casi perfecta.
Entre otras ventajas, los cristales impecables producen más luz. "Ahora, por primera vez, la electroluminiscencia de un solo LED de nanocables de GaN es lo suficientemente brillante como para que podamos medir su espectro y rastrear el espectro con la corriente de excitación para ver evidencia de calentamiento, ", dice el co-líder del proyecto Kris Bertness." No hay otros ejemplos de espectros de electroluminiscencia de un solo nanoalambre de GaN desarrollado con MBE en la literatura ".
Un "bosque" de nanocables
GaN y su sistema de aleación relacionado (incluidos los semiconductores que contienen indio y aluminio) forman la base de la industria de iluminación de estado sólido en rápida expansión. Podría moverse más rápido los expertos creen, si la industria pudiera desarrollar un método económico para cultivar material con baja densidad de defectos.
"Los LED convencionales basados en GaN cultivados en sustratos rentables pero que no se combinan en celosía (como el zafiro) sufren deformaciones y defectos inevitables que comprometen la eficiencia, "Dice Sanford". Además, la extracción de luz de las estructuras LED planas (planas) convencionales se ve obstaculizada por la reflexión interna total que da como resultado fotones desperdiciados que quedan atrapados en el dispositivo en lugar de irradiar hacia afuera como luz útil ".
La tecnología LED de nanocables de GaN ofrece mejoras significativas, ya que los cables crecen esencialmente libres de deformaciones y defectos y, por lo tanto, deberían permitir dispositivos fundamentalmente más eficientes. Es más, la morfología proporcionada por un "bosque" de LED de nanocables densamente dispuestos ofrece mejoras en la eficiencia de extracción de luz de estas estructuras en comparación con sus contrapartes planas.
Probar y medir esas y otras propiedades, sin embargo, plantea importantes desafíos. "El GaN de tipo P es difícil de cultivar mediante cualquier método de crecimiento común, "Dice Bertness." Y lo que resulta ser muy difícil es hacer buenos contactos eléctricos con el nanoalambre, porque no es plano, y su espesor es mayor que el de la mayoría de las películas metálicas utilizadas para contactar películas planas.
"Esta geometría 3D fomenta la formación de huecos y la retención de impurezas químicas cerca de los contactos, ambos degradan el contacto, a veces hasta el punto de ser inutilizable. Esta es un área que estamos investigando activamente ".
El equipo está buscando formas de hacer crecer nanocables en matrices regulares, con un cuidadoso control del espaciado y las dimensiones de cada cable individual. Recientemente descubrieron que al crear un patrón de aberturas en forma de cuadrícula del orden de 200 nanómetros de ancho en una "capa de máscara" de nitruro de silicio colocada sobre el sustrato, podrían lograr un crecimiento selectivo de alambres muy regulares. La capacidad de producir patrones ordenados de dispositivos GaN uniformes, Bertness dice:"es esencial para una fabricación confiable".
Estructura de un nanoalambre de GaN de tipo n desarrollado por MBE y recubierto con una capa delgada de GaN de tipo p desarrollado por epitaxia de fase vapor de haluro. Crédito:Aric Sanders y Albert Davydov / MML
GaN no es solo una fuente de luz. También tiene múltiples usos en diferentes campos. "Otra cosa buena de GaN es que es insensible a las altas temperaturas, "dice Robert Hickernell, líder del Grupo de Fabricación Optoelectrónica, que incluye el proyecto de Metrología de Semiconductores. "Esa es una ventaja para las aplicaciones de alta potencia eléctrica". El Grupo también está estudiando transistores de efecto de campo (FET) de nanocables para medir con precisión las propiedades de transporte de portadora. "Y tenemos FET de nanocables de GaN que son algunos de los mejores dispositivos de investigación del mundo".
Además, Los nanocables de GaN son mecánicamente robustos. Muy robusto:hace cuatro años, una colaboración entre PML y la Universidad de Colorado fue noticia al producir nanocables con factores de calidad extraordinariamente altos que los convierten en osciladores potencialmente excelentes. "En el futuro distante, "Hickernell dice, "Pueden utilizarse en aplicaciones de teléfonos móviles como microrresonadores".
La combinación de un factor de alta calidad mecánica y una masa diminuta también los hace capaces de detectar masas en el rango de subattogramas. Los colaboradores de PML en la Universidad de Colorado confían en que pueden extrapolar los experimentos actuales a aproximadamente 0.01 attogramas, o sensibilidad de 10 zetogramos. (Para comparacion, la masa de un virus es del orden de 1 attogramo, o 10-18 gramos). Aún no se han realizado mediciones directas a esa escala.
A principios de este año, Bertness, Los colaboradores de Sanford y CU utilizaron la piezorresistencia nativa de GaN para medir la respuesta de frecuencia en nanocables extendidos en un espacio de 10 micrómetros. Los resultados mostraron que los dispositivos tenían "utilidad inmediata en aplicaciones de detección de masa y fuerza de alta resolución, ", escribieron los investigadores en su informe publicado.
El equipo cree que es posible crear "una nueva clase de herramientas de sonda de exploración multifunción direccionables eléctricamente, Bertness explica. Por ejemplo, NSOM convencional se basa en una punta óptica de escaneo con un diámetro de apertura en el rango de 10 a 100 nanómetros que se forma en el extremo ahusado de una fibra óptica pasiva. Esas puntas son mecánica y químicamente frágiles y tienen una vida útil muy corta, de horas a días. Por otra parte, Las herramientas NSOM basadas en nanocables de GaN pueden ofrecer potencialmente una operación multifunción direccionable eléctricamente que combina emisión óptica, detección óptica, Funcionalidad AFM y RF-AFM ".
Finalmente, Los nanocables de GaN también son adecuados para su uso en productos químicos, biológico, y detección de gas. El trabajo de colaboración en curso entre el equipo y el Laboratorio de Medición de Materiales del NIST está produciendo resultados interesantes con nanocables de GaN utilizados en conjunto con nanoclusters de dióxido de titanio para detectar compuestos aromáticos como el benceno y el tolueno. "Adicionalmente, Nuestro proyecto ha realizado un trabajo preliminar (publicado) con nanocables de GaN funcionalizados para moléculas biológicas, "Dice Sanford." Varios otros grupos en todo el mundo están buscando una tecnología de sensores similar utilizando redes troncales de nanocables de GaN ".
