7.1 INTRODUCTION

III-Nitrid-Halbleiter mit breiter Bandlücke sind weithin als technologisch wichtige Materialien erkannt worden. Photonische Bauelemente auf der Basis von III-Nitriden bieten viele Vorteile, darunter UV/Blau/Grün-Emission (die den Nachweis chemisch-biologischer Wirkstoffe und eine höhere optische Speicherdichte ermöglicht), große Bandoffsets von InN/GaN/AlN-Heterostrukturen (die ein neuartiges Design von Quantentopf-Bauelementen ermöglichen) und inhärent hohe Emissions-Effizienzen. Diese einzigartigen Merkmale können die Entwicklung von optoelektronischen und photonischen Bauelementen mit noch nie dagewesenen Eigenschaften und Funktionen ermöglichen. Die Forschungsaktivitäten zu AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) mit hohen AlN-Molanteilen und Bauelementen, die im ultravioletten (UV) Spektralbereich arbeiten, befinden sich noch im Anfangsstadium. AlGaN und Al-reiche AlGaN-Legierungen, die Wellenlängen von 300 bis 200 nm abdecken, sind ideale Materialien für die Entwicklung von UV-Lichtquellen/-sensoren im Chip-Maßstab, da AlGaN das einzige Halbleitersystem mit ultrabreiter Bandlücke ist, bei dem die Bandlücke durch Legierungs- und Heterostrukturdesign leicht verändert werden kann. Effiziente Festkörper-UV-Lichtquellen/-sensoren sind in vielen Bereichen der Forschung und Entwicklung von entscheidender Bedeutung. So wird beispielsweise die Fluoreszenz von Proteinen im Allgemeinen durch UV-Licht angeregt; die Überwachung von Veränderungen der intrinsischen Fluoreszenz eines Proteins kann wichtige Informationen über dessen strukturelle Veränderungen liefern. Es wird erwartet, dass die Verfügbarkeit von UV-Lichtquellen im Chipmaßstab neue Möglichkeiten für die medizinische Forschung und die Gesundheitsfürsorge eröffnen wird. Festkörper-UV-Lichtquellen finden auch Anwendung in der Wasserreinigung, der Dekontamination von Geräten und Personal sowie der Erzeugung von weißem Licht. Es besteht ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Ansätze zur weiteren Verbesserung der Materialqualität mit geringerer Versetzungsdichte und unbeabsichtigten Verunreinigungen sowie verbesserten Oberflächenmorphologien in Al-reichen AlGaN-Legierungen, was die Dotierungseffizienz und die Leistung der Bauelemente erhöhen würde.

AlN ist ein Endpunkt des AlGaN-Legierungssystems. Ein vollständiges Verständnis des AlGaN-Legierungssystems (insbesondere der Al-reichen AlGaN-Legierungen) kann erst dann erreicht werden, wenn das binäre AlN-Material gut verstanden ist. Darüber hinaus ist AlN einzigartig, da kein anderer Halbleiter eine so große direkte Bandlücke besitzt und die Möglichkeit besteht, die Bandlücke durch die Verwendung von Heterostrukturen zu verändern. Obwohl die Bedeutung von AlN erkannt wurde, sind viele seiner grundlegenden optischen Emissionseigenschaften bisher nur unzureichend bekannt, da es an hochwertigen Materialien mangelt und die optischen Messungen im tiefen UV (bis 200 nm) technisch schwierig sind. In jüngster Zeit wurden rasche Fortschritte bei der Epitaxie und dem Verständnis der grundlegenden physikalischen Eigenschaften sowie der Anwendungen von AlN-Epitaxieschichten erzielt. Dieses Kapitel soll einen kurzen Überblick über diese jüngsten Fortschritte geben, wobei der Schwerpunkt auf den grundlegenden optischen Eigenschaften, den grundlegenden Verunreinigungsparametern und der Leitfähigkeitskontrolle von AlN- und AlGaN-Epitaxieschichten mit hohem Al-Gehalt liegt.

In Abschnitt 7.2 erörtern wir das Epitaxiewachstum und die Charakterisierungstechniken zur Identifizierung qualitativ hochwertiger Schichten, wie z. B. die Rasterkraftmikroskopie (AFM) zur Untersuchung der Oberflächenmorphologie und SIMS zur Untersuchung unbeabsichtigter Verunreinigungen wie Sauerstoff. In Abschnitt 7.3 stellen wir die jüngsten Fortschritte beim Verständnis der grundlegenden optischen Eigenschaften von AlN vor. Die detaillierte Bandstruktur in der Nähe des Γ-Punktes von wurtzitischem (WZ) AlN wird vorgestellt. Die einzigartige Bandstruktur von AlN, d.h. die negative Kristallfeldaufspaltung, hat tiefgreifende Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften von AlGaN-Legierungen, insbesondere von Al-reichen AlGaN-Legierungen. Eine der unmittelbaren Folgen ist, dass die dominante Bandkantenemission in GaN (AlN) mit einer Polarisation von E ⊥ c (E||c) erfolgt. Dementsprechend nimmt die Emissionsintensität in Al-reichen AlxGa1-xN-Legierungen mit zunehmendem x für Epilayer ab, die auf der c-Ebene von Saphir gewachsen sind. Die Rekombinationsdynamik der Übergänge von gebundenen Exzitonen (I2) und freien Exzitonen (FX) in AlN-Epilayern wurde durch zeitaufgelöste Photolumineszenz (PL) im tiefen UV untersucht. Es wurde festgestellt, dass die PL-Zerfallszeiten bei 10 K in AlN-Epilayern etwa 80 ps für das gebundene Exziton und 50 ps für das freie Exziton betragen, was etwas kürzer ist als in GaN. Dies ist eine direkte Folge der großen Energiebandlücke von AlN. Die extrapolierten Strahlungszerfallslebensdauern in AlN-Epilayern nehmen mit der Temperatur gemäß T3/2 zwischen 100 und 200 K zu und werden bei Temperaturen über 200 K durch die Dissoziation des freien Exzitons beeinflusst, wobei derselbe Trend wie in GaN zu beobachten ist. Aus den Emissionsspektren bei niedrigen Temperaturen (10 K), der Temperaturabhängigkeit der Rekombinationslebensdauer und der Aktivierungsenergie der PL-Emissionsintensität wurden die Bindungsenergien der an den Donor gebundenen Exzitonen und der freien Exzitonen in AlN auf etwa 16 bzw. 80 meV abgeleitet. Die beobachtete hohe Bindungsenergie der freien Exzitonen deutet darauf hin, dass Exzitonen in AlN extrem robuste Gebilde sind, die weit oberhalb der Raumtemperatur überleben würden. Verunreinigungsübergänge, an denen während der Ionenimplantation erzeugte Stickstoffleerstellen und Al-Leerstellen und/oder -Komplexe in den gewachsenen Schichten beteiligt sind, wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass VAl- und/oder VAl-ON-Komplexe tiefe Akzeptoren mit einem Energieniveau von 2,59 eV oberhalb des Valenzbandes von AlN sind, was direkt mit den verringerten Leitfähigkeiten in Al-reichem AlGaN und AlN korreliert und somit nachteilig für optoelektronische Bauelemente mit AlN- und AlGaN-Epilayern ist. Das experimentell ermittelte Energieniveau der Stickstoffvakanz liegt bei etwa 260 meV. Infolge der großen Aktivierungsenergie (0,26 eV) und der hohen Bildungsenergie können VN in AlN nicht wesentlich zur n-Typ-Leitfähigkeit beitragen.

Mit den jüngsten Fortschritten in der Epitaxie wurden leitfähige n-Typ Al-reiche AlxGa1-xN-Legierungen mit hohem Al-Gehalt (x ≥ 0,7) erhalten. Abschnitt 7.4 fasst die jüngsten Fortschritte bei der Kontrolle der Leitfähigkeit von AlGaN-Legierungen mit hohem Al-Gehalt und AlN sowie das Verständnis der Verunreinigungsparameter in diesen Materialien zusammen. Für Al0,7Ga0,3N wurde bei Raumtemperatur ein n-Typ-Widerstand von nur 0,0075 Ω cm bei einer Elektronenkonzentration von 3,3 × 1019 cm-3 und einer Mobilität von 25 cm2/V s erzielt. Es wurde beobachtet, dass der Widerstand um fast eine Größenordnung zunimmt, wenn der Al-Gehalt um etwa 8 % erhöht wird, was auf die Vertiefung des Si-Donorniveaus mit zunehmendem x zurückzuführen ist. Transportmessungen haben gezeigt, dass eine n-Typ-Leitung in reinem AlN erreicht werden kann. Es wurde festgestellt, dass eine starke Dotierung erforderlich ist, um die Donor-Aktivierungsenergie zu senken und höhere Leitfähigkeiten in Al-reichen AlGaN-Legierungen zu erreichen. Die Ionisierungsenergie des Mg-Akzeptors in AlxGa1-xN-Legierungen wurde ebenfalls als Funktion von x gemessen, woraus eine Bindungsenergie von 0,51 eV für den Mg-Akzeptor in AlN ermittelt wurde. Obwohl Mg-Akzeptoren ein effektiver Massenzustand in diesem Halbleiter mit sehr großer Bandlücke sind, kann als Folge dieser großen Akzeptor-Bindungsenergie von 0,51 eV nur ein sehr kleiner Teil (etwa 10-9) der Mg-Dotierstoffe bei Raumtemperatur in Mg-dotiertem AlN aktiviert werden, was bedeutet, dass es äußerst schwierig ist, AlN vom p-Typ durch Mg-Dotierung zu erreichen.

In Abschnitt 7.5 werden Anwendungen von AlN-Epitaxieschichten diskutiert. Dazu gehört der Einsatz von AlN-Epitaxieschichten in UV- und Tief-UV-Emittern, die als aktive Schichten oder Versetzungsfilter dienen. Da eine hochwertige AlN-Epitaxieschicht bis hinunter zu 200 nm UV-transparent ist und mit einer besseren Oberflächenmorphologie als eine AlGaN-Legierung gezüchtet werden kann, ist sie eine ideale Vorlage für das anschließende Wachstum von UV-Photonik-Bauelementen. Anwendungen von AlN-Epilayern für andere Arten von aktiven Bauelementen, wie z. B. für akustische Oberflächenwellen (SAW) und Elektronenemissionsbauelemente, werden ebenfalls erörtert.

In Abschnitt 7.6 finden sich abschließende Bemerkungen mit Schwerpunkt auf Zukunftsaussichten und verbleibenden Herausforderungen.