Le laser à nanofil GaN pompé optiquement est affiché en orange brillant. La sortie laser réelle est UV (≈370 nm) et invisible à l'œil nu. La longueur du nanofil laser est d'environ 10 micromètres et le diamètre est d'environ 200 nm. La pointe de la sonde métallique en haut de l'image est utilisée pour examiner les effets de proximité sur les propriétés laser du nanofil. D'autres nanofils (non laser) sont également visibles sur l'image.
Les nanofils de nitrure de gallium développés par les scientifiques de PML pourraient n'avoir que quelques dixièmes de micromètre de diamètre, mais ils promettent un très large éventail d'applications, des nouvelles diodes électroluminescentes et lasers à diodes aux résonateurs ultra-petits, capteurs chimiques, et pointes de sondes atomiques très sensibles.
Au cours des deux décennies écoulées depuis que GaN a été utilisé pour la première fois dans une LED commercialement viable, inaugurant un avenir fulgurant pour l'éclairage basse consommation et les transistors haute puissance, le semi-conducteur III-V a été produit et étudié de nombreuses manières, sous forme de couches minces et de nanofils.
À la division d'électronique quantique et de photonique de PML à Boulder, CO, une grande partie des efforts récents a été consacrée à la croissance et à la caractérisation de nanofils de GaN de très haute qualité - "certains des meilleurs, sinon le meilleur, dans le monde, " dit Norman Sanford, co-responsable du projet Semiconductor Metrology for Energy Conversion.
GaN émet de la lumière lorsque les trous et les électrons se recombinent à une jonction créée en dopant le cristal pour créer des régions de type p et de type n. Ces couches sont formées par une variété de méthodes de dépôt, typiquement sur un substrat de saphir ou de carbure de silicium. Les méthodes conventionnelles produisent des cristaux avec des densités de défauts relativement élevées. Malheureusement, les défauts du réseau limitent l'émission lumineuse, introduire du bruit de signal, et conduire à une défaillance prématurée de l'appareil.
L'équipe Boulder, par contre, fait croître très lentement des nanofils de GaN hexagonaux pratiquement sans défaut à partir d'une base de silicium. Leur méthode de dépôt est l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) qui permet aux nanofils de se former spontanément sans l'utilisation de particules de catalyseur. Bien que les particules de catalyseur soient largement utilisées pour la croissance de nanofils, ils laissent derrière eux des traces d'impuretés qui peuvent dégrader le GaN. Il faut deux à trois jours pour que les structures atteignent une longueur d'environ 10 micromètres (environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain), mais l'attente est payante car la structure cristalline est presque parfaite.
Entre autres avantages, des cristaux impeccables produisent plus de lumière. "Maintenant, pour la première fois, l'électroluminescence d'une seule LED à nanofil de GaN est suffisamment lumineuse pour que nous puissions mesurer son spectre et suivre le spectre avec un courant d'entraînement pour voir des signes de chauffage, ", déclare Kris Bertness, co-responsable du projet. "Il n'y a pas d'autres exemples de spectres d'électroluminescence à partir d'un seul nanofil de GaN cultivé en MBE dans la littérature."
Une "forêt" de nanofils
Le GaN et son système d'alliage associé (y compris les semi-conducteurs contenant de l'indium et de l'aluminium) constituent la base de l'industrie de l'éclairage à semi-conducteurs en pleine expansion. ça pourrait aller plus vite, les experts croient, si l'industrie pouvait développer une méthode économique pour cultiver des matériaux à faible densité de défauts.
« Les LED conventionnelles à base de GaN cultivées sur des substrats économiques mais non adaptés au réseau (comme le saphir) souffrent de contraintes et de défauts inévitables qui compromettent l'efficacité, " dit Sanford. " De plus, l'extraction de la lumière des structures LED planaires (plates) conventionnelles est entravée par une réflexion interne totale, ce qui entraîne un gaspillage de photons qui sont piégés dans l'appareil plutôt que de rayonner vers l'extérieur sous forme de lumière utile.
La technologie LED à nanofils GaN offre des améliorations significatives puisque les fils se développent essentiellement sans contrainte ni défaut et devraient ainsi permettre des dispositifs fondamentalement plus efficaces. Par ailleurs, la morphologie fournie par une « forêt » de LED à nanofils en réseau dense offre des améliorations de l'efficacité d'extraction de la lumière de ces structures par rapport à leurs homologues planaires.
Tester et mesurer ces propriétés et d'autres, cependant, pose des défis importants. "Le GaN de type P est difficile à cultiver par n'importe quelle méthode de croissance commune, " dit Bertness. " Et ce qui s'avère très difficile, c'est d'établir de bons contacts électriques avec le nanofil, car il n'est pas plat, et son épaisseur est plus grande que la plupart des films métalliques utilisés pour contacter les films plans.
"Cette géométrie 3D encourage la formation de vides et le piégeage des impuretés chimiques à proximité des contacts, qui dégradent tous les deux le contact, parfois au point d'être inutilisable. C'est un domaine que nous étudions activement."
L'équipe cherche des moyens de développer des nanofils dans des réseaux réguliers, avec un contrôle minutieux de l'espacement et des dimensions de chaque fil individuel. Récemment, ils ont découvert qu'en créant un motif d'ouvertures en forme de grille de l'ordre de 200 nanomètres de large dans une "couche de masque" de nitrure de silicium placée sur le substrat, ils pourraient réaliser une croissance sélective de fils très réguliers. La capacité de produire des modèles ordonnés de dispositifs GaN uniformes, Bertness dit, "est essentiel pour une fabrication fiable."
Structure d'un nanofil de GaN de type n développé par MBE et recouvert d'une couche mince de GaN de type p développé par épitaxie en phase vapeur aux halogénures. Crédit :Aric Sanders et Albert Davydov/MML
Le GaN n'est pas seulement une source lumineuse. Il a également de multiples utilisations dans différents domaines. "Une autre bonne chose à propos du GaN est qu'il est insensible aux températures élevées, " dit Robert Hickernell, leader du groupe de fabrication optoélectronique, qui comprend le projet de métrologie des semi-conducteurs. "C'est un avantage pour les applications à haute puissance électrique." Le Groupe étudie également les transistors à effet de champ (FET) à nanofils pour mesurer avec précision les propriétés de transport des porteurs. "Et nous avons des FET à nanofils GaN qui sont parmi les meilleurs dispositifs de recherche au monde."
En outre, Les nanofils de GaN sont mécaniquement robustes. Très robuste :Il y a quatre ans, une collaboration PML-Université du Colorado a fait la une des journaux en produisant des nanofils avec des facteurs de qualité extraordinairement élevés qui en font des oscillateurs potentiellement excellents. « Dans un futur lointain, " Hickernell dit, "ils pourraient être utilisés dans les applications de téléphonie mobile comme micro-résonateurs."
La combinaison d'un facteur de qualité mécanique élevé et d'une masse minuscule les rend également capables de détecter des masses dans la plage des sous-attogrammes. Les collaborateurs de PML à l'Université du Colorado sont convaincus qu'ils peuvent extrapoler les expériences actuelles à environ 0,01 attogramme, ou sensibilité de 10 zeptogrammes. (En comparaison, la masse d'un virus est de l'ordre de 1 attogramme, ou 10-18 grammes.) Aucune mesure directe n'a encore été effectuée à cette échelle.
Plus tôt cette année, Bertness, Les collaborateurs de Sanford et CU ont utilisé la piézorésistance native de GaN pour mesurer la réponse en fréquence dans des nanofils étirés sur un espace de 10 micromètres. Les résultats ont montré que les appareils avaient "une utilité immédiate dans les applications de détection de masse et de force à haute résolution, " ont écrit les chercheurs dans leur rapport publié.
L'équipe pense qu'il est possible de créer « une nouvelle classe d'outils à sonde de balayage multifonctions adressables électriquement, " explique Bertness. " Par exemple, Le NSOM conventionnel repose sur une pointe optique à balayage avec un diamètre d'ouverture dans la plage de 10 à 100 nanomètres qui est formée à l'extrémité effilée d'une fibre optique passive. Ces pointes sont mécaniquement et chimiquement fragiles et ont une durée de vie très courte, de quelques heures à quelques jours. D'autre part, Les outils NSOM à base de nanofils GaN peuvent potentiellement offrir un fonctionnement multifonctionnel adressable électriquement qui combine l'émission optique, détection optique, Fonctionnalités AFM et RF-AFM."
Finalement, Les nanofils de GaN sont également bien adaptés à une utilisation dans la chimie, biologique, et la détection de gaz. Le travail de collaboration en cours entre l'équipe et le laboratoire de mesure des matériaux du NIST produit des résultats intéressants avec des nanofils de GaN utilisés en tandem avec des nanoclusters de dioxyde de titane pour détecter des composés aromatiques tels que le benzène et le toluène. "En outre, notre projet a réalisé des travaux préliminaires (publiés) avec des nanofils de GaN fonctionnalisés pour des molécules biologiques, ", dit Sanford. "Différents autres groupes dans le monde recherchent une technologie de capteur similaire utilisant des dorsales à nanofils GaN."
