Il nitruro di indio (InN) è un semiconduttore appartenente alla famiglia dei composti III-V, caratterizzato da un band gap diretto di circa 0.7 eV, che lo colloca nella regione del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico. Tale proprietà, unitamente ad altre caratteristiche quali la bassa massa effettiva e l’elevata mobilità elettronica, rende InN un materiale di grande interesse per numerose applicazioni, che spaziano dall’elettronica ad alta velocità alle celle solari multi-giunzione ad alta efficienza.
I semiconduttori III-V si formano attraverso la combinazione di un elemento del gruppo 13 – precedentemente noto come gruppo III (ad esempio boro, alluminio, gallio o indio) – con un elemento del gruppo 15 – o gruppo V, tipicamente l’azoto. Ad oggi, oltre venticinque composti di questa tipologia sono stati studiati, includendo materiali ben noti come l’arseniuro di gallio (GaAs), il nitruro di gallio (GaN) e il nitruro di alluminio (AlN). Negli ultimi quindici anni, i nitruri del gruppo III hanno trovato ampio impiego commerciale in dispositivi quali diodi a emissione luminosa (LED) e laser, coprendo una fascia spettrale che va dal verde al vicino ultravioletto.
Storicamente, il nitruro di indio ha ricevuto minore attenzione a causa delle difficoltà inerenti alla sintesi di campioni puri e monocristallini. Inoltre, la presenza di contaminazioni, in particolare da ossigeno, aveva portato ad attribuire a InN un band gap erroneamente compreso nell’intervallo 1.8–2.0 eV. Recenti studi, effettuati mediante processi di crescita avanzati e su materiali di qualità superiore, hanno evidenziato un band gap reale di 0.7 eV, confermando al contempo una ridotta massa effettiva, una mobilità elettronica maggiore e elevati valori di velocità di picco e saturazione.
Metodi di Sintesi del Nitruro di Indio
La sintesi del nitruro di indio risulta particolarmente complessa a causa della sua relativamente bassa temperatura di decomposizione (circa 500 °C), che impone limitazioni rispetto alle tecniche convenzionali basate sulla nitrurazione degli ossidi a temperature elevate. Di conseguenza, sono state esplorate metodologie alternative per ottenere InN a temperature ridotte, comprese procedure che impiegano precursori organometallici, sintesi diretta ad alta pressione, ammonolisi ad alta temperatura e la pirolisi dell’indio ammide, In(NH₂)₃.
Tra le tecniche di deposizione, i film sottili di InN sono stati prodotti mediante sputtering magnetronico, una tecnica di deposizione fisica da vapore (PVD) in cui un materiale bersaglio viene bombardato da ioni ad alta energia generati in un plasma, favorendo l’espulsione e il successivo deposito di atomi su un substrato. Un’altra tecnica rilevante è l’epitassia in fase vapore metallo-organica (MOCVD), la cui prima applicazione risale al 1968 presso il North American Aviation Science Center, in cui la crescita cristallina avviene per reazioni chimiche piuttosto che per mera deposizione fisica.
Per la produzione di cristalli singoli, è stata adottata l’epitassia a strati atomici, in cui la deposizione degli atomi provenienti dalla fase gassosa avviene su un substrato di silicio drogato e assistito da irraggiamento UV. A temperature più basse, la sintesi di nanocristalli di InN è stata realizzata a partire da bromuro di indio (InBr₃) e sodio ammide (NaNH₂), mentre altre rotte chimiche prevedono la reazione tra ossido di litio e indio (LiInO₂) con sodio ammide a circa 240 °C.
Un’ulteriore strategia, basata su percorsi assistiti da additivi, ha dimostrato la capacità di sintetizzare boruri, nitruri e carburi a temperature relativamente basse. In questo contesto, nanoparticelle di InN sono state ottenute tramite una reazione in fase solida che coinvolge idrossido di indio [In(OH)₃], tiosolfato di sodio (Na₂S₂O₃) e sodio ammide, condotta a temperature comprese tra 250 e 300 °C. Tale metodo si caratterizza per l’alta resa, la riduzione della temperatura di reazione e il contenimento dei costi di sintesi.
Applicazioni del Nitruro di Indio
L’ampio interesse verso il nitruro di indio è principalmente riconducibile al suo stretto band gap, il quale apre la possibilità di utilizzarlo in dispositivi optoelettronici operanti in una vasta gamma spettrale, compresa la fascia compresa tra il vicino infrarosso e l’ultravioletto. In particolare, InN presenta transizioni ottiche interbanda nell’intervallo di 1.5–1.9 μm, permettendo così l’integrazione con altri nitruri come GaN e AlN e, di conseguenza, l’ampliamento delle applicazioni nei dispositivi che richiedono un’ampia copertura spettrale.
La notevole mobilità degli elettroni in InN consente il trasporto a velocità molto elevate, rendendo questo materiale idoneo per l’elettronica ad alta frequenza. In questo contesto, InN può essere impiegato nella realizzazione di transistor ad alta mobilità elettronica e in altri componenti destinati all’elaborazione di segnali a frequenze estremamente elevate, come quelle richieste nelle comunicazioni wireless.
Oltre alle applicazioni nell’elettronica, il nitruro di indio è promettente per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici quali LED, laser e fotodetector, specialmente per operazioni nell’intervallo infrarosso. In ambito fotovoltaico, InN, integrato in celle solari multi-giunzione insieme ad altri semiconduttori III-V, potrebbe migliorare l’efficienza complessiva dell’assorbimento della luce su diverse lunghezze d’onda.
Infine, la marcata differenza nei band gap fondamentali tra GaN (circa 3.4 eV) e InN (0.7–0.78 eV) consente la progettazione di leghe (Ga₁₋ₓInₓN) con gap energetici continuamente variabili. Sperimentalmente, il band gap della lega Ga₁₋ₓInₓN risulta variare da circa 3.51 eV (per GaN puro) a 0.78 eV (per InN) nella struttura wurtzite, coprendo così una porzione significativa dello spettro solare e rendendo queste leghe materiali di elevato interesse per l’ottimizzazione dell’efficienza dei dispositivi fotovoltaici.
Il nitruro di indio, grazie alle sue peculiari proprietà elettroniche e ottiche, rappresenta un materiale di grande potenziale per l’innovazione in vari settori tecnologici, dalla microelettronica alle applicazioni energetiche. Il continuo sviluppo di metodi di sintesi più efficaci e l’integrazione con altri semiconduttori promettono di ampliare ulteriormente l’ambito applicativo di questo versatile materiale.
