Dilute nitride GaInNAs and GaInNAsSb solar cells, Gerald Soto, CRF 2010-1

Dilute nitride GaInNAs and GaInNAsSb solar cells

Dilute nitride films with a roughly 1 eV band gap can be lattice-matched to gallium arsenide and germanium, and therefore could become a critical component in next-generation multijunction solar cells. To date most dilute nitride solar cells have been plagued with poor efficiency, due in large part to short diffusion lengths. This study focuses on two techniques aimed at improving the quality of dilute nitride films grown by molecular beam epitaxy: the utilization of biased deflection plates installed in front of the nitrogen plasma source, and the introduction of antimony during growth. Results from GaInNAs cells grown with and without deflection plates, and GaInNAsSb solar cells are reported.

The use of biased deflection plates during GaInNAs growth improved every aspect of solar cell performance. For the GaInNAs devices grown with deflection plates, the dark current density, open-circuit voltage, and fill factor were the best of the devices studied. The GaInNAsSb cells had the highest quantum efficiency, almost 80% at maximum, mainly due to low background doping densities providing these devices with wide depletion widths. The GaInNAsSb materials also had quite narrow band gaps of 0.92 eV. Because of the high collection efficiency coupled with the narrow band gap, the sub-GaAs short-circuit current density produced by the GaInNAsSb cells is 14.8 mA/cm2, which was the highest of the devices studied. This current is nearly 50% greater than the best dilute nitride solar cells in the literature, and is the first dilute nitride cell to produce enough current to current match the upper two subcells in a triple-junction device, composed of GaInP/InGaAs/GaInNAsSb.

The Solar Spectrum

•A single band gap cell will absorb photons with energies greater than or equal to the materials band gap Eg.

•Carriers with energy > Eg will quickly decay to Eg

•Idealized Efficiency = 25%

A GaInNAs 1eV Junction

GaInNAs was seen as a good material for this junction as it could be lattice matched to GaAs avoiding the loss mechanisms associated with strain.

• They grew a number of GaInNAs structures which achieved a photoresponse down to 1 eV

• The internal quantum efficiencies of the devices where low, typically bellow 0.2.

• The reason for the low internal quantum efficiency was due to diffusion lengths lower than the depletion widths

• The low diffusion lengths are attributed to a shallow electron trap and a deep recombination centre which so far seem unavoidable in GaInNAs.

• A tandem solar cell is limited by lowest current produced by any one junction so adding the junction could not improve the efficiency of the tandem cell.

• Later they grew p-i-n devices with intrinsic regions between 0.2 and 2.5μm

• The wider depletion region resulted in higher short circuit currents and quantum efficiencies than previous cells.

The National Renewable Energy Laboratory (NREL) in America suggested adding a junction to absorb photons with energies between 1 – 1.4eV would increase the idealized efficiency from 42% to 52%.

Researchers at the University of Tsukuba in Japan have also created bulk GaInNAs hetrojunction and homojunction cells.Their homojunction cell had an efficiency of 2.94%, They found that increasing the growth temperature from 480-520°C increased the hall mobility from 200 to 250 cm2/Vs.

Fuente:

http://jap.aip.org/japiau/v101/i11/p114916_s1?isAuthorized=no

http://www.een.bris.ac.uk/cost288/zaragoza_meeting/presentations/royall.pdf

Gerald Soto, CRF 2010-1.

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Nitruro de boro cúbico y Materiales Super Duros, Gerald Soto, CRF 2010-1

Nitruro de boro cúbico y Materiales Super Duros

El nitruro cúbico de boro (c-BN) es un material artificial extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la del diamante. Al igual que el diamante, el c-BN es un aislante eléctrico y un excelente conductor del calor. Es ampliamente utilizado como un abrasivo para herramientas industriales, en especial para el mecanizado de aceros aleados y materiales de gran dureza.

Fabricación

El c-BN es producido por el tratamiento del nitruro de boro hexagonal a altas presiones y temperaturas, de la misma manera que es producido el diamante artificial a partir del grafito. La conversión directa de nitruro de boro hexagonal a nitruro de boro cúbico ocurre a presiones por encima de los 18 GPa y temperaturas de entre 1730-3230°C. La adición de pequeñas cantidades de óxido de boro pueden reducir la presión requerida a unos 4-7 GPa, y la temperatura a unos 1500°C. Industrialmente se utilizan distintos catalizadores para lograr la reacción, los cuales varían según el método de producción (ej.: Litio, Potasio o Magnesio, sus nitruros, sus fluoronitruros, agua con compuestos de amoníaco, etc.)

Hay dos maneras de producir materiales superduros que sean extremadamente difíciles de comprimir o resistentes a la deformación, una propiedad que resulta necesaria para la dureza. Una manera es imitar al diamante utilizando el carbono y combinándolo con boro o nitrógeno para mantener cortos los enlaces. La otra es buscar metales que ya lo sean e intentar hacerlos duros.

Richard B. Kaner (profesor de química inorgánica y ciencia e ingeniería de los materiales, en la UCLA) y sus colegas, están trabajando, bajo el segundo enfoque, con diboruro de renio.

Los investigadores formaron enlaces covalentes cortos, separando los átomos de renio en sólo un 5 por ciento respecto de su posición normal. Este incremento leve de la separación es muy bueno, pues basta para el propósito perseguido, y se logra también cumplir con la condición de separarlos tan poco como sea posible. Con esta operación, lograron que el material se volviera tanto incompresible como duro. Ésa es la clave. El diboruro de renio es tan incompresible como el diamante en una dirección, en tanto que en la otra dirección sólo es ligeramente más compresible.
Al aplicar fuerzas bajas, la dureza del diboruro de renio es equivalente a la del nitruro de boro cúbico, el segundo material más duro conocido. Al aplicar fuerzas superiores, el diboruro de renio se queda un poco por debajo.
De todos modos, este nuevo material es lo bastante duro para rayar el diamante.
Mientras otros materiales superduros, incluyendo al diamante y al nitruro de boro cúbico, se fabrican a un coste elevado y con procesos aparatosos que incluyen usar altas presiones, el nuevo material es fabricado en un proceso simple sin aplicar presión.

El diboruro de renio, en polvo y en forma de pastilla

Fuente:

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitruro_de_boro_c%C3%BAbico#Nitruro_de_boro_c.C3.BAbico

http://www.electronicafacil.net/archivo-noticias/ciencia/Article8607.php

Gerald Soto, CRF 2010-1.

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Superaislante con nitruro de titanio, Gerald Soto, CRF 2010-1

Superaislante con nitruro de titanio.

El superaislamiento es un estado fundamental de la materia recientemente descubierto, creado por los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne en colaboración con varias instituciones europeas. Este descubrimiento abre nuevas direcciones para las investigaciones en la física de la materia condensada, y prepara el camino hacia una nueva generación en la microelectrónica.

Dirigido por el científico del Laboratorio de Argonne Valerii Vinokur y la científica rusa Tatyana Baturina, un equipo internacional de científicos de Estados Unidos, Alemania, Rusia y Bélgica formó una película delgada de nitruro de titanio que luego fue enfriada hasta cerca del cero absoluto. Cuando los investigadores intentaron hacer pasar una corriente a través del material, notaron que su resistencia se incrementaba de repente por un factor de 100.000 cuando la temperatura caía por debajo de cierto umbral. El mismo cambio súbito también se produjo cuando los investigadores disminuyeron el campo magnético externo.

Como los superconductores, que tienen aplicaciones en muchas áreas diferentes de la física, desde los aceleradores de partículas hasta los trenes con levitación magnética, pasando por los escáneres de diagnóstico médico por Resonancia Magnética, en el futuro los superaislantes podrían encontrar aplicaciones en varios productos, incluyendo circuitos, sensores y aislantes para baterías.

Si por ejemplo una batería queda expuesta al aire, la carga se agota espontáneamente en cuestión de días o semanas porque el aire no es un aislante perfecto. Si se hace pasar una corriente a través de un superconductor, ésta puede circular para siempre; recíprocamente, si se utiliza un superaislante, éste puede mantener una carga eléctrica para siempre.

Los científicos podrían fabricar superaisladores que encapsularían a los cables superconductores del futuro, creando una senda eléctrica de eficacia óptima, sin apenas pérdida alguna de energía en forma de calor. Una versión en miniatura de estos cables superconductores superaislados podría encontrar una aplicación obvia como circuitos eléctricos mucho más eficientes que cualquiera de los convencionales.

Fuente:

http://notiblog-hugorueda.blogspot.com/2008/07/ciencia-de-los-materiales-llegan-los.html

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Transistor de potencia de nitruro de galio(GaN), Gerald Soto, CRF 2010-1

Transistor de potencia de nitruro de galio(GaN), para la gama de frecuencias en la banda Ku (de 12GHz a 18GHz)

Los avances en los amplificadores de microondas en la banda Ku se centran en sustituir los tubos electrónicos que habitualmente se utilizan en este ancho de banda, por semiconductores, especialmente dispositivos de GaN, que ofrecen convenientes características de alta potencia a frecuencias de microondas más altas.

El nuevo FET de potencia tiene una estructura de transistor de alta movilidad de electrones (HEMT, por sus siglas en inglés) que Toshiba ha optimizado para la banda Ku. La empresa sustituyó la unión con hilos alimentadores por la tecnología de agujeros pasantes(1), a efectos de reducir la inductancia parásita, y también mejoró el diseño general del circuito correspondiente para la aplicación práctica en las frecuencias de la banda Ku.

La demanda dirigida a FET de potencia de GaN para comunicaciones por microondas de satélites y radares está en permanente crecimiento, tanto en relación con equipos nuevos como para remplazar los tubos electrónicos. Toshiba satisfará esa demanda con la pronta comercialización de sus nuevos FET de potencia para la banda Ku.

En el Congreso Europeo sobre Microondas 2007, que se realizará en Munich, Alemania, del 8 al 12 de octubre, se presentará la información completa acerca del nuevo FET de potencia de GaN.

Antecedentes y objetivos de desarrollo

El permanente incremento en los flujos de comunicación en las comunicaciones por microondas de satélites, así como el desarrollo de sistemas de radares más potentes, está impulsando la demanda dirigida hacia una mayor potencia de salida en los dispositivos de amplificación de señales. La demanda es especialmente sólida en relación con los dispositivos de GaN, que ofrecen ventajas en comparación con los dispositivos convencionales de arseniuro de galio en lo que respecta a la disipación del calor y a las características de desempeño de alta potencia a frecuencias altas.

Toshiba se ha convertido en pionera en la aplicación de la tecnología de GaN a los FET de potencia para las aplicaciones en frecuencias de microondas. La empresa orientó su trabajo inicial hacia el desarrollo y venta de FET de potencia para las bandas de 6GHz (2005) y de 9,5GHz (2006), y diseñó dispositivos que alcanzaron la potencia de salida más alta del mundo a esas frecuencias. Ahora la empresa amplía su oferta a la banda de 14,5GHz. Toshiba continuará con el diseño de dispositivos para las bandas de frecuencia de 18GHz a 30GHz (banda Ka) y superiores.

Síntesis del desarrollo

1. Tecnología de los dispositivos

Toshiba logró obtener un desempeño excepcional en el nuevo FET, mediante la optimización de la composición y el grosor de las capas de AlGaN y GaN formadas sobre el sustrato de carburo de sílice (SiC) que tiene un alto desempeño como conductor de calor, de la estructura HEMT. A efectos de garantizar un alto desempeño en las frecuencias de la banda Ku, Toshiba ha implementado una longitud de puerta menor de 0,3 micrómetros, y ha optimizado la forma de cada uno de los electrodos y de las configuraciones de los elementos, para potenciar la disipación del calor.

2. Tecnología de los procesos

A efectos de reducir la inductancia parásita y mejorar el desempeño a altas frecuencias, Toshiba diseñó una tecnología para formar agujeros pasantes, que pasan desde el electrodo alimentador de superficie, a través del chip y hacia el suelo. Haber logrado formar los agujeros pasantes en un sustrato de SiC, lo cual está reconocido como un proceso extremadamente exigente, constituye una innovación en el diseño del nuevo FET.

Dado que las longitudes de puerta son más cortas, es fundamental eliminar la pérdida de corriente que se produce en el electrodo de puerta, a efectos de lograr un alto nivel de desempeño. Un proceso exclusivo de revestimiento aplicado alrededor de cada uno de los electrodos de puerta permite disminuir la pérdida en la puerta a una trigésima parte de la que se produce con los métodos convencionales de Toshiba. La tecnología de exposición a haces de electrones se aplica a fin de garantizar un procesamiento estable en las longitudes de puerta inferiores a 0,3 micrómetros.

Características principales

Ganancia lineal 8,2dB

Potencia de saturación 65,4W

Tensión de sumidero 30V

Frecuencia de funcionamiento 14,5GHz

Tamaño del chip 3,4mm x 0,53mm

Tamaño del paquete 21,0mm x 12,9mm (dimensiones externas)

Fuente:

http://www.electronicafacil.net/archivo-noticias/electronica/Article7231.php

Gerald Soto, CRF 2010-1.

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Formation and dissolution of D-N complexes in dilute nitrides

Deuterium (hydrogen) incorporation in dilute nitrides (e.g., GaAsN and GaPN) modifies dramatically the crystal's electronic and structural properties and represents a prominent example of defect engineering in semiconductors. However, the microscopic origin of D-related effects is still an experimentally unresolved issue. In this paper, we used nuclear reaction analyses and/or channeling, high resolution x-ray diffraction, photoluminescence, and x-ray absorption fine structure measurements to determine how the stoichiometric [D]∕[N] ratio and the local structure of the N-D complexes parallel the evolution of the GaAsN electronic and strain properties upon irradiation and controlled removal of D. The experimental results provide the following picture: (i) Upon deuteration, nitrogen-deuterium complexes form with [D]∕[N]=3, leading to a neutralization of the N electronic effects in GaAs and to a strain reversal (from tensile to compressive) of the N-containing layer. (ii) A moderate annealing at 250 °C gives [D]∕[N]=2 and removes the compressive strain, therefore the lattice parameter approaches that of the N-free alloy, whereas the N-induced electronic properties are still passivated. (iii) Finally, annealings at higher temperature (330 °C) dissolve the deuterium-nitrogen complexes, and consequently the electronic properties and the tensile strain of the as-grown GaAsN lattice are recovered. Therefore, we conclude that the complex responsible for N passivation contains two deuterium atoms per nitrogen atom, while strain reversal in deuterated GaAsN is due to a complex with a third, less tightly bound deuterium atom.

Dilute nitride based double-barrier quantum-well infrared photodetector
operating in the near infrared

Near-infrared detection is reported for a double-barrier quantum-well infrared photodetector based on a 30-Å GaAs1−yNy (y ≈ 0.01) quantum well. The growth procedure using plasma-assisted molecular-beam epitaxy is described. The as-grown sample exhibits a detection wavelength of 1.64 μm at 25 K. The detection peak strengthens and redshifts to 1.67 μm following rapid thermal annealing at 850 °C for 30 s. The detection peak position is consistent with the calculated band structure based on the band-anticrossing model for nitrogen incorporation into GaAs

Terahertz response of hot electrons in dilute nitride Ga(AsN) alloys

We model theoretically an unusual ac negative differential mobility (NDM) effect that occurs when electrons are accelerated by an electric field in the highly nonparabolic conduction band of dilute nitride Ga(AsN) alloys. By solving balance equations that take into account the negative effective mass of electrons and the velocity and energy relaxation processes, we derive an expression for the maximum response frequency, fmax, associated with the NDM. Our predicted values of fmax depend on material composition and can be tuned by the applied electric field up to terahertz frequencies

Modeling of band gap properties of GaInNP alloys lattice matched to GaAs

Compositional and temperature dependences of the band gap energies of GaInNP alloys, which are lattice matched to GaAs, are determined and modeled by a band anticrossing (BAC) interaction between the localized state of the isolated NP and extended host states. The BAC parameters are deduced as EN = 2.1±0.1 eV and CMN = 1.7±0.2 eV. The low value of the coupling parameter CMN implies weaker coupling of the N level with the host matrix, presumably due to short range ordering effects, similar to the case of GaInNAs alloys with a high In content. The obtained information is important for future modeling of the electronic structure of the alloys

ROSSANA HERNANDEZ

electronica del estado solido

http://apl.aip.org/applab/v88/i3/p031907_s1?isAuthorized=no

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Overannealing effects in GaInNAs(Sb) alloys and their importance to laser applications

The photoluminescence efficiency and linewidth are well-established metrics for characterizing potential laser active regions. We demonstrate the critical importance of a new parameter for predicting the performance of dilute-nitride lasers: the "optimal" postgrowth annealing temperature, defined as the annealing temperature giving the highest photoluminescence efficiency. We validate this assertion with two 1.55 μm edge-emitting GaInNAsSb lasers containing active regions with different optimal annealing temperatures. Although both active regions showed comparable photoluminescence efficiency and linewidth under optimal annealing conditions, laser performance was significantly different. The room-temperature threshold current density for the active region with higher optimal annealing temperature was 630 A/cm2, compared with 2380 A/cm2 for the sample with lower optimal annealing temperature. We conclude that overannealing of the gain region during upper cladding growth is the responsible mechanism. The dependence of the optimal annealing temperature on composition and growth conditions is also discussed.

ROSSANA HERNANDEZ
Electronica del estado solido
http://apl.aip.org/applab/v88/i22/p221115_s1?isAuthorized=no

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Nitrogen-hydrogen complex in GaAsxN1−x revealed by x-ray absorption spectroscopy

GaAsN alloys belong to a class of semiconductors with fascinating physical properties. Indeed, a small amount of nitrogen incorporation in GaAs leads to a counterintuitive and large band-gap reduction, and to an unexpected sudden increase in the effective mass of electrons. Even more surprisingly, both electronic and structural changes can be reversed fully and in a tunable manner by hydrogen incorporation. In this paper, we combine x-ray absorption spectroscopy at the nitrogen edge with ab initio simulations to investigate the atomic geometry of N-H complexes in hydrogenated GaAsN. In this way, we provide experimental evidence that dihydrogen-nitrogen complexes with C2v symmetry are the most abundant species in hydrogenated GaAsN. This finding contradicts previous predictions of "in-line" N-H2* complexes as the predominant species, and accounts for recent infrared absorption experiments.

A dilute nitride compound for midinfrared optoelectronic devices

The growth of the antimony-rich dilute nitride alloys GaSbN, InGaSbN, and InGaAsSbN on GaSb substrates by solid-source molecular-beam epitaxy is reported. Bulk GaSbN layers are characterized by x-ray diffraction and the nitrogen incorporation is estimated to be close to 1%. A nitrogen-induced redshift of the photoluminescence peak wavelength as large as 110 meV is observed in In.15Ga.85Sb1−xNx/GaSb quantum wells. Photoluminescence emission at 77 K for an In0.3Ga0.7As0.1Sb0.9−xNx/Al0.25Ga0.75As0.02Sb0.98 multiple quantum well structure shows a 66 meV redshift due to nitrogen incorporation (2.33 μm emission wavelength), demonstrating the potential of this compound for midinfrared optoelectronic device applications

Growth and applications of Group III-nitrides

Recent research results pertaining to InN, GaN and AlN are reviewed, focusing on the different growth techniques of Group III-nitride crystals and epitaxial films, heterostructures and devices. The chemical and thermal stability of epitaxial nitride films is discussed in relation to the problems of deposition processes and the advantages for applications in high-power and high-temperature devices. The development of growth methods like metalorganic chemical vapour deposition and plasma-induced molecular beam epitaxy has resulted in remarkable improvements in the structural, optical and electrical properties. New developments in precursor chemistry, plasma-based nitrogen sources, substrates, the growth of nucleation layers and selective growth are covered. Deposition conditions and methods used to grow alloys for optical bandgap and lattice engineering are introduced. The review is concluded with a description of recent Group III-nitride semiconductor devices such as bright blue and white light-emitting diodes, the first blue-emitting laser, high-power transistors, and a discussion of further applications in surface acoustic wave devices and sensors.

ROSSANA HERNANDEZ

electronica del estado solido

http://iopscience.iop.org/0022-3727/31/20/001

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Ga(N,As)/GaAs QWs

An interesting implication of the band-structure modification due to N in Ga(N,As) and (Ga,In (N,As) is the strong nonparabolicity of the conduction band predicted by theor.In comparison with GaAs, the electron effective mass is expected to increase by about 50% at k=0 for x≈1%, with a further mass increase for k≠0. There are, to date, several experimental studies of this interesting effect. Skierbiszewski et al. [51] observed a strong increase of the electron effective mass at the Fermi level in (Ga,In)(N,As):Se with increasing free-electron concentration up to a value of 0.4 m0 for n=6×1019 cm−3. Hai et al. [52,53] showed by cyclotron resonance on 7-nm GaNxAs1−x/GaAs QWs that the electron effective mass at the conduction band edge in GaNxAs1−x increases with x, whereas the hole effective masses are similar to those of GaAs. They reported values of 0.12 m0 and 0.19 m0 for x=1.2% and 2.0%, respectively. Wu et al. [54] pointed out that the confined states of Ga(N,As)/GaAs QWs can only be correctly described when the Ninduced changes of the electron effective mass are taken into account. Baldassari Höger von Högersthal et al. [55] reported a value of 0.15 m0 for x=1.6% determined by magnetophotoluminescence. A sharp increase of the electron effective mass was observed for N contents below 0.5% [56]. Similar experiments were performed by Wang et al. [58]. The electron effective mass is usually reported to strongly increase with increasing N content, apart from a report of transport experiments where the opposite trend was claimed [57]. The experimental data scatter considerably. This is partly a result of different assumptions underlying the models used for extracting the actual effectivemass values from the experimental data obtained by different experimental techniques. In addition, as discussed below in detail, effective-mass results obtained on bulk samples and quantum wells

of the same x are not necessarily comparable. The effective-mass issue is discussed from a different perspective.

A further complication arises because the conduction band of GaNxAs1−x is strongly nonparabolic. This can also be understood qualitatively in the framework of the levelrepulsion model. The closer the conduction-band states of the host are to the N level, the stronger is the level repulsion. Consequently, this means for QWs that the effective masses of the electron subbands in the conduction band must depend on N content, well width, and confinement energy. This manifests itself in the hydrostatic-pressure dependence of the interband transitions enhhn of Ga(N,As)/GaAs QWs, as can be seen in Figure 5.7. The figure shows series of PR spectra obtained under hydrostatic pressure at 300 K for two GaN0.018As0.982/GaAs QWs of width 8 nm and 4 nm. In the first series of spectra in Figure 5.7a, three signals can be clearly detected at all pressures; a fourth one can be discerned in the spectra for pressures exceeding 0.7 GPa. The signal at the highest energy originates from the GaAs barrier.

ROSSANA HERNANDEZ

Electronica del estado solido

http://www.torrent2crazy.com/search/physics+and+applications+of+dilute+nitrides

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CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE TRANSISTORES BASADOS EN NITRUROS, Gerald Soto, CRF 2010-1

CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE TRANSISTORES BASADOS EN NITRUROS

Los transistores más rápidos se consiguen gracias al crecimiento de diferentes semiconductores apilados. Entre los semiconductores es posible confinar una elevada concentración de electrones de alta movilidad, dando lugar a transistores con gran velocidad de respuesta. Cuando se emplea el sistema AlGaN/GaN, los enlaces interatómicos poseen un elevado carácter iónico. Estos iones generan intensos campos eléctricos internos, que inducen entre el AlGaN y el GaN una concentración de electrones de 1013 cm-2, un orden de magnitud superior a la alcanzada con otras estructuras típicas (AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs/GaAs, GaInP/InGaAs/GaAs, etc.).

En la actualidad Los transistores más rápidos son los HFETs (Heterostructure Field Effect Transistors). Ello es posible gracias al crecimiento de semiconductores con diferentes gap de energía, mediante técnicas como la MBE (Molecular Beam Epitaxial) o la MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition). En la interfase entre dos semiconductores con gap diferente es posible confinar una elevada concentración de electrones. Los electrones, al ser separados de sus átomos donadores, aumentan significativamente su movilidad y, por tanto, la rapidez del dispositivo. Por ello, los HFETs son transistores apropiados en aplicaciones donde se requiere alta velocidad (microondas, optoelectrónica).

Cuando se emplea el sistema AlGaN/GaN para formar la discontinuidad del gap, los enlaces interatómicos del cristal poseen un elevado carácter iónico. Estos iones generan intensos campos eléctricos de dos formas: por vibración térmica (efecto que se conoce como polarización espontánea) y por tensión mecánica en la interfase, como consecuencia de que dichos semiconductores poseen una constante de red diferente (efecto conocido como polarización piezoeléctrica). Los campos eléctricos originados por las polarizaciones espontánea y piezoeléctrica son perpendiculares a la interfase y consiguen confinar en ella una concentración de electrones típica de 1013 cm-2, un orden de magnitud superior a la alcanzada con otras heteroestructuras (AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs/ GaAs, GaInP/InGaAs/GaAs, etc.). Además, debido a su gran estabilidad térmica, los HFETs basados en AlGaN/GaN prometen ser transistores candidatos en aplicaciones donde se requiere, conjuntamente, velocidad y potencia elevadas, por ejemplo, en etapas de amplificación para terminales móviles.

Mediante simulaciones numéricas es posible conocer el funcionamiento de los dispositivos desde un punto de vista físico. Además, permiten establecer interdependencias entre las propiedades geométricas o materiales y la respuesta eléctrica. De esta forma, la simulación permite optimizar dispositivos en aplicaciones específicas, reduciendo costes y tiempo de producción. Para ello se necesita disponer de resultados experimentales que den validez a las simulaciones. Para simular la distribución de los electrones en el interior del HFET se requiere de un programa informático que resuelva numéricamente las ecuaciones de Schrödinguer y Poisson, fijada una tensión en la puerta del transistor.

Los transistores basados en nitruros poseen una concentración de electrones superior, gracias a los intensos campos eléctricos internos. Debido a su estabilidad térmica, estos transistores prometen ser candidatos en aplicaciones donde se requiera velocidad y potencia

Para simular autoconsistentemente las ecuaciones de Schrödinguer y Poisson se necesita conocer las constantes materiales propias del GaN y el AlxGa1-xN, así como sus campos de polarización espontánea y los que resultan de formar la heterounión: los campos piezoeléctricos. Por ello, se ha realizado una búsqueda bibliográfica exhaustiva, actualizada, del estado del arte de las heteroestructuras basadas en nitruros y de los HFETs basados en ellas [3], [4], [5] [6] y [7]. El principal inconveniente encontrado es, por la novedad del tema, la dispersión de los valores publicados por los distintos autores, siendo adoptados los predominantes o, en su defecto, la media de los encontrados.

La distribución de electrones en el transistor se obtieneresolviendo las ecuaciones de Poisson y Schrödinguer,incluyendo las densidades equivalentes de carga depolarización.

Fuente:

http://www.fulp.ulpgc.es/files/webfm/File/web/publicaciones/vectorplus/articulos/vp29_05_articulo01.pdf

Gerald Soto, CRF 2010-1.

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Transistores rápidos para ahorrar energia, Gerald Soto, CRF 2010-1

Transistores rápidos para ahorrar energia

Los transistores rápidos podrían ahorrar energía, los transistores, la piedra angular de la electrónica, tienen pérdidas y por lo tanto consumen energía. Colombo Bolognesi, profesor de electrónica de onda milimétrica en la ETH Zürich, y su grupo de investigación están especializados en el desarrollo de transistores de alto rendimiento destinados a trasmitir información con rapidez y mayor eficacia posible.

El año pasado, el grupo de Bolognesi batió su propio récord de velocidad para los llamados "transistores de alta movilidad electrónica (HEMT)" basados en los materiales nitruro de galio-aluminio (AlGaN/GaN) depositados sobre sustratos de silicio.

un grupo de científicos están estudiando un nuevo material: en lugar de utilizar nitruro de galio-aluminio, los investigadores están explotando las propiedades favorables de una nueva combinación de materiales que consiste en el nitruro de indio-aluminio (AlInN/GaN).

Estos transistores `podrían ser empleados en los amplificadores de potencia de las antenas de transmisión inalámbricas. En ellas, los transistores de nitruro de galio ayudarían a reducir los costos de energía gracias a su mayor eficiencia energética.

Mediante el uso de los transistores de nitruro de galio, las operadoras de telefonía móvil podrían reducir significativamente su consumo de energía, y sus emisiones de CO2 en varias decenas de miles de toneladas. Bolognesi cree que los transistores basados en el nitruro de galio podrían mejorar la eficiencia de los transmisores inalámbricos desde el 15-20% que tienen hoy en día, hasta el 60%.de el 15-20% que tienen hoy en día, hasta el 60%.

Fuente:

http://www.viasatelital.com/blogs/?p=589

Gerald Soto, CRF 2010-1.

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PUNTOS CUÁNTICOS DE GaN, APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS, Gerald Soto, CRF 2010-1

PUNTOS CUÁNTICOS DE GaN, APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

Durante los últimos años han sido desarrollados dispositivos emisores de luz con alta eficiencia, desde el UV hasta el IR usando semiconductores formados por nitruros de metales del grupo III-b, como por ejemplo GaN , abriendo así un gran campo de aplicaciones entre las que podemos destacar la obtención de LEDs (diodos de emisión de luz) verdes y azules y la obtención de diodos láser azules para lectores de DVD que permiten una mayor capacidad de almacenamiento en los mismos que los actuales diodos láser rojos, debido a su menor longitud de onda. Esto es la base del famoso Blu Ray ®. El problema con estos dispositivos es la alta densidad de dislocaciones con que se producen hasta la fecha, lo cual hace disminuir su eficiencia cuántica. Esto quiere decir que disminuye el porcentaje de relajaciones electrónicas que se producen con emisión de luz porque aumentan las relajaciones electrónicas a través de las vibraciones de los átomos que forman la red cristalina. En los LEDs de GaN la densidad de dislocaciones suele ser de 109-1010 cm-2, mientras que para los diodos láser de GaN esta densidad de dislocaciones debe ser reducida y suele ser de 106-107 cm-2., y esto se debe a que hasta estos últimos años no han sido desarrollados sustratos de GaN sobre los que crecer los diodos del mismo GaN.

Una forma de eliminar la influencia de las dislocaciones en la estructuras emisoras de luz consiste en usar puntos cuánticos (las tres dimensiones del orden de los nanómetros) en la zona activa del material.

En la última década ha habido una extensa investigación sobre estos puntos cuánticos en semiconductores. Comparado con el material masivo (tres dimensiones) y con los pozos cuánticos (dos dimensiones), los puntos cuánticos son el prototipo de sistema de cero dimensiones. Los estados electrónicos en los puntos cuánticos están localizados y la energía está totalmente cuantizada. Debido a la cuantización, la densidad de estados cerca del gap es menor, es decir, los niveles electrónicos están más localizados que en sistemas de tres y dos dimensiones, lo que lleva a una mayor deslocalización del momento de esos electrones y por tanto a una mayor eficiencia para las transiciones ópticas. Esta es la más deslumbrante ventaja de los puntos cuánticos para potenciales aplicaciones en dispositivos emisores de luz y en dispositivos detectores.

Además, los puntos cuánticos son más estables a las perturbaciones térmicas y localizan a los portadores inhibiendo su migración a centros de recombinación no radiativa como son las dislocaciones.

De entre los distintos métodos para el crecimiento de puntos cuánticos de semiconductores, el más relevante es el de Stranski-Krastanow de autoorganización ("self assembling") de los puntos cuánticos, que consiste básicamente en un crecimiento 2D de varias monocapas de semiconductor, llamada capa mojante ("Swetting layer") seguido de la autoformación de pequeñas islas que son los puntos cuánticos: cuando comienzan a crecer las primeras capas del semiconductor sobre el sustrato, debido a la diferencia entre los parámetros de red y entre los coeficientes de dilatación de ambos, el semiconductor va creciendo con una energía elástica acumulada, que va creciendo a medida que aumenta el espesor de la película de semiconductor que se está creciendo, por lo que llegado a un espesor crítico se va a producir la relajación de la película de semiconductor. En este caso, el campo de tensiones fuerza a los átomos a coalescer y la relajación elástica se puede producir en parte mediante la formación de nanoislas sobre esta capa mojante. Estas nanoislas, libres de dislocaciones, son los puntos cuánticos, y sus dimensiones suelen ser piramidales como se puede ver en la imagen, con una altura de uno 3-8 nm y una anchura de unos 10-30 nm.

El GaN por ejemplo se puede crecer por MBE (epitaxia de haces moleculares) sobre un sustrato de silicio (también se pueden usar como sustratos el zafiro y el SiC, pero son más caros) poniendo entre ambos una capa de unos 3000 nm de AlN, que posee la misma estructura cristalina que el GaN (wurtzita) y consecuentemente un parámetro de red y un coeficiente de dilatación térmica más parecidos a los del GaN, y que es capaz de absorber y disipar la mayoría de las tensiones producidas por los distintos parámetros de red y coeficientes de dilatación térmica entre el GaN y el silicio. Tras la deposición de unas pocas monocapas de GaN sobre el AlN (entre 3 y 12), se interrumpe el crecimiento por unos pocos segundos (10 ó 12 s) y se produce la autoformación, debido a la relajación de la red del GaN, de esas pequeñas islitas de GaN llamadas puntos cuánticos.

En la imagen podemos ver un apilamiento de puntos cuánticos de GaN separados de capas de AlN.

Fuente:

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2008/03/10/puntos-cuanticos-de-gan-aplicaciones-en-dispositivos-electronicos/

Gerald Soto, CRF 2010-1.

http://gerald-ees.blogspot.com/