インジウムガリウム窒化物

インジウムガリウム窒化物（InGaN、In _x Ga _{1− x} N）は、窒化ガリウム（GaN）と窒化インジウム（InN）の混合物から作られた半導体材料です。これは、三元族III /族V直接バンドギャップ半導体です。そのバンドギャップは、合金中のインジウムの量を変えることによって調整できます。In _x Ga _1−x Nは、InNの赤外線（0.69 eV）からGaNの紫外線（3.4 eV）までの直接バンドギャップ範囲を持っています。In / Ga比は通常、0.02 / 0.98〜0.3 / 0.7です。^[1]

インジウムガリウム窒化物は、現代の青色および緑色LEDの発光層であり、多くの場合、サファイアやシリコンカーバイドなどの透明基板上のGaNバッファ上に成長します。熱容量が高く、電離放射線に対する感受性が低いため (他のグループ III窒化物と同様)、太陽光発電デバイス、特に衛星アレイに適した材料になる可能性があります。

理論的には、15%から85%の組成で窒化インジウムのスピノーダル分解が起こり、Inに富む領域またはGaに富む領域またはクラスターが形成されると予測されています。しかし、実験的な局所構造研究では、弱い相分離しか観察されていません。^[2]低In含有量のInGaN多重量子井戸でのカソードルミネッセンスおよびフォトルミネッセンス励起を使用した他の実験結果では、InGaN/GaN合金の正しい材料パラメータを提供することで、AlGaN/GaNシステムの理論的アプローチがInGaNナノ構造にも適用できることが実証されています。^[3]

GaNは欠陥の多い材料で、典型的な転位密度は10 ⁸ cm ^{−2を超えています[4]}。青色および緑色LEDに使用されるこのようなGaNバッファ上に成長したInGaN層からの発光は、そのような欠陥での非放射再結合のために減衰すると予想されます。^[5]それでも、InGaN量子井戸は、緑色、青色、白色、紫外線発光ダイオードやダイオードレーザーの効率的な発光体です。^{[6] [7] [8]}インジウムが豊富な領域は周囲の材料よりもバンドギャップが低く、電荷キャリアのポテンシャルエネルギーが低下した領域を作り出します。電子正孔対はそこに閉じ込められ、再結合が非放射である結晶欠陥に拡散する代わりに、光を放出して再結合します。また、自己無撞着なコンピュータシミュレーションは、放射再結合がインジウムが豊富な領域に集中していることを示しました。^[9]

放出される波長は材料のバンドギャップに依存し、GaN/InN 比によって制御できます。0.02In/0.98Ga の場合は近紫外線、0.1In/0.9Ga の場合は 390 nm、0.2In/0.8Ga の場合は青紫 420 nm、0.3In/0.7Ga の場合は青 440 nm、より高い比率の場合は赤になります。また、InGaN 層の厚さによっても制御できます。InGaN 層の厚さは通常 2～3 nmの範囲です^[要出典]。ただし、原子シミュレーションの結果によると、放出エネルギーはデバイス寸法の小さな変化にほとんど依存しないことが示されています。^[10]デバイスシミュレーションに基づく研究では、バンドギャップエンジニアリングを使用して InGaN/GaN LED の効率を高めることが可能であり、特に緑色 LED でそれが可能であることが示されています。^[11]

InGaNは、太陽光と良好なスペクトル整合を提供する範囲でバンドギャップエンジニアリングを実行できるため、太陽光発電セルに適しています。^{[12] [13]}層間の格子不整合によって生じる欠陥の影響を比較的受けにくいため、異なるバンドギャップを持つ複数の層を成長させることが可能です。1.1 eVと1.7 eVのバンドギャップを持つ2層多接合セルは、理論上最大50%の効率を達成でき、広範囲のバンドギャップに合わせて調整された複数の層を堆積することで、理論上は最大70%の効率が期待されます。^[14]

実験的なInGaN単接合デバイスから、顕著な光応答が得られました。^{[15] [16]}光学特性の制御に加えて^[17]、バンドギャップエンジニアリングにより、材料の微細構造をエンジニアリングして光路長を増やし、光トラッピングを提供することで、光起電デバイスの性能を向上させることができます。デバイス上にナノコラムを成長させることで、光との共鳴相互作用をさらに引き起こすことができます。^[18] InGaNナノコラムはSiO
₂プラズマ強化蒸発法を用いる。^[19]ナノロッド成長は、太陽電池の効率を低下させる電荷トラップとして作用する可能性のある踏み込み転位の減少にも有利である可能性がある ^[20]

金属変調エピタキシーは、最初の原子層での歪み緩和によってほぼ理想的な特性を持つ薄膜を原子層ごとに制御して成長させることを可能にする。結晶の格子構造は完全な結晶に似ており、対応する輝度を持つ。結晶のインジウム含有量は x 約 0.22 ～ 0.67 であった。結晶品質と光学特性の大幅な改善は x 約 0.6 から始まった。インジウムの取り込みを容易にするために膜は 400 °C で成長し、表面形態と金属吸着層の拡散を強化するために前駆体変調が行われた。これらの発見は、高格子不整合条件下での窒化物半導体の成長技術の開発に貢献するはずである。^{[21] [22]}

量子ヘテロ構造は、多くの場合、InGaN 活性層を備えたGaNから構築されます。InGaN は、 GaN、AlGaN、SiC、サファイア、さらにはシリコンなどの他の材料と組み合わせることができます。

InGaNナノロッドLEDは、平面LEDに比べて発光面が大きく、効率が良く、発光量が多い3次元構造です^[要出典]。

InGaNの毒性は十分に調査されていません。粉塵は皮膚、目、肺に刺激を与えます。インジウムガリウム窒化物源（トリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アンモニアなど）の環境、健康、安全面、および標準的なMOVPE源の産業衛生モニタリング研究が最近レビューで報告されました。^[23]

• インジウムガリウムリン
• インジウムガリウムヒ素