7.1 ÚVOD

III-nitridové širokopásmové polovodiče jsou široce uznávány jako technologicky důležité materiály. Fotonická zařízení na bázi III-nitridů nabízejí mnoho výhod, včetně UV/modré/zelené emise (umožňující detekci chemicko-bioagentních látek a vyšší hustotu optických pamětí), velkých pásových posunů heterostruktur InN/GaN/AlN (umožňujících novou konstrukci zařízení s kvantovou jámou) a přirozeně vysoké účinnosti emise. Tyto jedinečné vlastnosti mohou umožnit vytvoření optoelektronických a fotonických zařízení s dosud nevídanými vlastnostmi a funkcemi. Výzkumné aktivity týkající se AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) s vysokými molárními podíly AlN a zařízení pracujících v ultrafialových (UV) spektrálních oblastech jsou stále v zárodečném stavu. Dosažení kvalitních zařízení z Al-bohatého AlGaN s vysokou vodivostí a vysokou kvantovou účinností zůstává pro nitridovou komunitu jednou z hlavních výzev.

AlN a Al-bohaté slitiny AlGaN, pokrývající vlnové délky od 300 do 200 nm, jsou ideálními materiály pro vývoj UV světelných zdrojů/senzorů v čipovém měřítku, protože AlGaN je jediným ultraširokopásmovým polovodičovým systémem, u kterého lze snadno upravovat pásmovou mezeru pomocí legování a návrhu heterostruktury. Účinné polovodičové zdroje/senzory UV záření mají zásadní význam v mnoha oblastech výzkumu a vývoje. Například fluorescence proteinů je obvykle excitována UV světlem; sledování změn vnitřní fluorescence v proteinu může poskytnout důležité informace o jeho strukturálních změnách . Očekává se tedy, že dostupnost zdrojů UV světla v čipovém měřítku otevře nové možnosti pro lékařský výzkum a zdravotní péči. Polovodičové zdroje UV světla mají rovněž využití při čištění vody, dekontaminaci zařízení/personálu a generování bílého světla . Existuje naléhavá potřeba vyvinout nové přístupy k dalšímu zlepšení kvality materiálu se sníženou hustotou dislokací a nezáměrných nečistot a lepší morfologií povrchu ve slitinách AlGaN bohatých na Al, což by zvýšilo účinnost dopování a výkon zařízení.

AlN je koncovým bodem systému slitin AlGaN. Úplného pochopení systému slitin AlGaN (zejména slitin Al bohatých na AlGaN) nelze dosáhnout dříve, než bude dobře pochopen binární materiál AlN. AlN je navíc jedinečný díky tomu, že žádné jiné polovodiče nemají tak velkou přímou pásmovou mezeru, stejně jako možnost pásového inženýrství pomocí heterostruktur. Navzdory uznání významu AlN nebyly mnohé jeho základní optické emisní vlastnosti v minulosti dobře známy kvůli nedostatku vysoce kvalitních materiálů a také kvůli technickým obtížím spojeným s optickými měřeními v hlubokém UV záření (do 200 nm). V poslední době bylo dosaženo rychlého pokroku v epitaxním růstu a pochopení základních fyzikálních vlastností, jakož i v aplikacích epilajů AlN v zařízeních. Cílem této kapitoly je poskytnout stručné shrnutí těchto nedávných pokroků s důrazem na základní optické vlastnosti, základní parametry příměsí a řízení vodivosti epitaxiálních vrstev AlN a AlGaN s vysokým obsahem Al.

V části 7.2 se zabýváme epitaxiálním růstem a charakterizačními technikami pro identifikaci vysoce kvalitních vrstev; například mikroskopií atomárních sil (AFM) pro studium morfologie povrchu a SIMS pro zkoumání nezáměrných příměsí, jako je kyslík. V části 7.3 uvádíme nejnovější pokroky v pochopení základních optických vlastností AlN. Je představena podrobná pásová struktura v blízkosti bodu Γ wurtzitového (WZ) AlN. Jedinečná pásová struktura AlN, tj. záporné štěpení krystalového pole, zásadně ovlivňuje optické vlastnosti slitin AlGaN, zejména slitin AlGaN bohatých na Al. Jedním z bezprostředních důsledků je, že dominantní pásová emise v GaN (AlN) je s polarizací E ⊥ c (E||c). V souladu s tím intenzita emise ve slitinách Al-bohatých na AlxGa1-xN klesá s rostoucím x pro epilajery vypěstované na safíru v rovině c. Dynamika rekombinace přechodů vázaného excitonu (I2) a volného excitonu (FX) v epilajerech AlN byla zkoumána pomocí časově rozlišené fotoluminiscence (PL) v hlubokém UV záření. Bylo zjištěno, že doby rozpadu PL jsou přibližně 80 ps pro vázaný exciton a 50 ps pro volný exciton při teplotě 10 K v epilajerech AlN, které jsou o něco kratší než v GaN. To je přímý důsledek velkého energetického pásu AlN. Extrapolované doby života zářivého rozpadu v epilajerech AlN rostou s teplotou podle T3/2 mezi 100 a 200 K a při teplotách nad 200 K jsou ovlivněny disociací volného excitonu, což sleduje stejný trend jako v GaN. Z nízkoteplotních (10 K) emisních spekter, teplotní závislosti doby života rekombinace a aktivační energie intenzity PL emise byly odvozeny vazebné energie donorově vázaných excitonů a volných excitonů v AlN kolem 16 a 80 meV. Pozorovaná velká vazebná energie volných excitonů naznačuje, že excitony v AlN jsou extrémně robustní entity, které by přežily i nad pokojovou teplotou. Byly studovány nečistotové přechody zahrnující dusíkové vakance vzniklé při iontové implantaci a Al vakance a/nebo komplexy ve vrstvách po zahoření. Výsledky ukazují, že VAl a/nebo VAl-ON komplexy jsou hlubokými akceptory s energetickou hladinou 2,59 eV nad valenčním pásem AlN, což přímo souvisí se sníženou vodivostí v Al-obohaceném AlGaN a AlN, a je tedy škodlivé pro optoelektronická zařízení využívající AlN a AlGaN epilajery. Experimentálně stanovená energetická hladina dusíkové vakance je přibližně 260 meV. V důsledku velké aktivační energie (0,26 eV) i vysoké energie vzniku nemůže VN v AlN významně přispět k vodivosti n-typu.

S nedávným pokrokem v epitaxiálním růstu byly získány vodivé slitiny Al bohaté na AlxGa1-xN s vysokým obsahem Al (x ≥ 0,7). Oddíl 7.4 shrnuje nedávné pokroky v řízení vodivosti slitin AlGaN s vysokým obsahem Al a AlN a pochopení parametrů příměsí v těchto materiálech. Pro Al0,7Ga0,3N byla získána rezistivita n-typu při pokojové teplotě pouhých 0,0075 Ω cm s koncentrací elektronů 3,3 × 1019 cm-3 a pohyblivostí 25 cm2/Vs. Bylo pozorováno, že rezistivita se zvyšuje téměř o jeden řád při zvýšení obsahu Al o přibližně 8 %, což je způsobeno prohloubením donorové hladiny Si s rostoucím x. Transportní měření ukázala, že lze dosáhnout vodivosti n-typu v čistém AlN. Bylo zjištěno, že pro snížení aktivační energie donoru a dosažení vyšších vodivostí ve slitinách AlGaN bohatých na Al je zapotřebí silného dopování. Byla také změřena ionizační energie akceptoru Mg ve slitinách AlxGa1-xN v závislosti na x, z čehož byla určena vazebná energie 0,51 eV pro akceptor Mg v AlN. Přestože akceptory Mg představují efektivní hmotnostní stav v tomto polovodiči s ultra velkou propustností, v důsledku této velké vazebné energie akceptoru 0,51 eV lze v AlN dopovaném Mg aktivovat při pokojové teplotě pouze velmi malou část (asi 10-9) Mg dopantů, což znamená, že je velmi obtížné dosáhnout p-typu AlN dopováním Mg.

O aplikacích epitaxiálních vrstev AlN pojednává kapitola 7.5. Ty zahrnují vkládání epilačních vrstev AlN do UV a hlubokých UV zářičů, které slouží jako aktivní vrstvy nebo dislokační filtry. Protože vysoce kvalitní epilační vrstva AlN je UV transparentní až do 200 nm a lze ji vypěstovat s lepší morfologií povrchu než slitinu AlGaN, je ideální šablonou pro následný růst struktury UV fotonických zařízení. Diskutovány jsou také aplikace AlN epilayerů pro jiné typy aktivních zařízení, například pro zařízení s povrchovou akustickou vlnou (SAW) a elektronovou emisí.

V části 7.6 uvádíme závěrečné poznámky se zaměřením na budoucí perspektivy a zbývající výzvy.

.