7.1 INTRODUCCIÓN

Los semiconductores de banda ancha de nitruro III han sido ampliamente reconocidos como materiales tecnológicamente importantes. Los dispositivos fotónicos basados en III-nitruros ofrecen muchas ventajas, como la emisión UV/azul/verde (que permite la detección de agentes químicos y una mayor densidad de almacenamiento óptico), los grandes desplazamientos de banda de las heteroestructuras InN/GaN/AlN (que permiten un novedoso diseño de dispositivos de pozos cuánticos) y las eficiencias de emisión inherentemente altas. Estas características únicas pueden permitir la creación de dispositivos optoelectrónicos y fotónicos con propiedades y funciones sin precedentes. Las actividades de investigación sobre AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) con altas fracciones molares de AlN y dispositivos que operan en las regiones espectrales del ultravioleta (UV) se encuentran todavía en estado embrionario. Conseguir dispositivos de AlGaN ricos en Al con altas conductividades y altas eficiencias cuánticas sigue siendo uno de los principales retos para la comunidad de los nitruros.

El AlN y las aleaciones de AlGaN ricas en Al, que cubren longitudes de onda de 300 a 200 nm, son materiales ideales para el desarrollo de fuentes/sensores de luz ultravioleta a escala de chip, porque el AlGaN es el único sistema semiconductor de banda ultraancha en el que se puede diseñar fácilmente la banda mediante el uso de aleaciones y el diseño de heteroestructuras. Las fuentes/sensores de luz ultravioleta de estado sólido son cruciales en muchos campos de investigación y desarrollo. Por ejemplo, la fluorescencia de las proteínas suele ser excitada por la luz UV; el control de los cambios de la fluorescencia intrínseca de una proteína puede proporcionar información importante sobre sus cambios estructurales. Así, se espera que la disponibilidad de fuentes de luz UV a escala de chip abra nuevas oportunidades para la investigación médica y la atención sanitaria. Las fuentes de luz UV de estado sólido también tienen aplicaciones en la purificación del agua, la descontaminación de equipos y personal y la generación de luz blanca. Existe una necesidad urgente de desarrollar nuevos enfoques para mejorar aún más la calidad del material, con una reducción de la densidad de dislocaciones y de las impurezas no intencionadas y una mejora de las morfologías superficiales en las aleaciones de AlGaN ricas en Al, lo que mejoraría la eficiencia del dopaje y el rendimiento de los dispositivos.

El AlN es un punto final del sistema de aleaciones de AlGaN. No se podrá lograr una comprensión completa del sistema de aleación de AlGaN (en particular de las aleaciones de AlGaN ricas en Al) antes de que se comprenda bien el material binario de AlN. Además, el AlN es único debido a que ningún otro semiconductor posee un bandgap directo tan grande, así como la capacidad de ingeniería del bandgap mediante el uso de heteroestructuras. A pesar del reconocimiento de la importancia del AlN, muchas de sus propiedades fundamentales de emisión óptica no se conocen bien en el pasado debido a la falta de materiales de alta calidad, así como a las dificultades técnicas que conllevan las mediciones ópticas en el UV profundo (hasta 200 nm). Recientemente se han realizado rápidos progresos en el crecimiento epitaxial y en la comprensión de las propiedades físicas básicas, así como en las aplicaciones de dispositivos de las epiláminas de AlN. El objetivo de este capítulo es ofrecer un breve resumen de estos avances recientes, haciendo hincapié en las propiedades ópticas fundamentales, los parámetros básicos de las impurezas y el control de la conductividad de las películas epitaxiales de AlN y AlGaN con altos contenidos de Al.

En la sección 7.2, analizamos el crecimiento epitaxial y las técnicas de caracterización para identificar las películas de alta calidad, como la microscopía de fuerza atómica (AFM) para estudiar la morfología de la superficie y la SIMS para sondear impurezas no intencionadas como el oxígeno. En la sección 7.3, presentamos los últimos avances en la comprensión de las propiedades ópticas fundamentales del AlN. Se presenta la estructura de banda detallada cerca del punto Γ del AlN wurtzita (WZ). La estructura de banda única del AlN, es decir, el desdoblamiento negativo del campo cristalino, afecta profundamente a las propiedades ópticas de las aleaciones de AlGaN, en particular de las aleaciones de AlGaN ricas en Al. Una de las consecuencias inmediatas es que la emisión de borde de banda dominante en el GaN (AlN) es con polarización de E ⊥ c (E||c). En consecuencia, la intensidad de la emisión en las aleaciones AlxGa1-xN ricas en Al disminuye con el aumento de x para las epiláminas crecidas en el plano c del zafiro. La dinámica de recombinación de las transiciones del excitón ligado (I2) y del excitón libre (FX) en las epiláminas de AlN se investigó mediante fotoluminiscencia (PL) resuelta en el tiempo en el UV profundo. Los tiempos de vida de desintegración del PL fueron de unos 80 ps para el excitón ligado y 50 ps para el excitón libre a 10 K en las epiláminas de AlN, que son ligeramente más cortos que los del GaN. Esto es una consecuencia directa del gran bandgap energético del AlN. Los tiempos de vida de decaimiento radiativo extrapolados en las epiláminas de AlN aumentan con la temperatura según T3/2 entre 100 y 200 K y se ven afectados por la disociación del excitón libre a temperaturas superiores a 200 K, siguiendo la misma tendencia que en el GaN. A partir de los espectros de emisión a baja temperatura (10 K), la dependencia de la temperatura del tiempo de vida de la recombinación y la energía de activación de la intensidad de la emisión del PL, se dedujo que las energías de unión de los excitones unidos al donante y de los excitones libres en el AlN eran de unos 16 y 80 meV, respectivamente. La gran energía de enlace de los excitones libres observada implica que los excitones en AlN son entidades extremadamente robustas que sobrevivirían muy por encima de la temperatura ambiente. Se han estudiado las transiciones de impurezas en las que intervienen las vacantes de nitrógeno generadas durante la implantación iónica y las vacantes y/o complejos de Al en las capas ya crecidas. Los resultados indican que los complejos VAl y/o VAl-ON son aceptores profundos con un nivel de energía de 2,59 eV por encima de la banda de valencia del AlN, lo que está directamente correlacionado con las conductividades reducidas en AlGaN y AlN ricos en Al y, por tanto, es perjudicial para los dispositivos optoelectrónicos que utilizan epiláminas de AlN y AlGaN. El nivel de energía de la vacante de nitrógeno determinado experimentalmente es de unos 260 meV. Como consecuencia de la gran energía de activación (0,26 eV) así como de la alta energía de formación, el VN en el AlN no puede contribuir significativamente a la conductividad de tipo n.

Con los recientes avances en el crecimiento epitaxial, se han obtenido aleaciones conductoras de tipo n ricas en AlxGa1-xN con altos contenidos de Al (x ≥ 0,7). La sección 7.4 resume los avances recientes en el control de la conductividad de las aleaciones de AlGaN de alto contenido en Al y AlN y la comprensión de los parámetros de impureza en estos materiales. Se ha obtenido una resistividad de tipo n a temperatura ambiente tan baja como 0,0075 Ω cm con una concentración de electrones de 3,3 × 1019 cm-3 y una movilidad de 25 cm2/V s para Al0,7Ga0,3N. Se ha observado que la resistividad aumenta en casi un orden de magnitud a medida que se incrementa el contenido de Al en aproximadamente un 8%, debido a la profundización del nivel donante de Si con el aumento de x. Las mediciones de transporte han indicado que se puede conseguir una conducción de tipo n en AlN puro. Se ha comprobado que es necesario un fuerte dopaje para reducir la energía de activación del donante y conseguir mayores conductividades en las aleaciones AlGaN ricas en Al. También se ha medido la energía de ionización del aceptor de Mg en aleaciones AlxGa1-xN en función de x, a partir de la cual se determinó una energía de enlace de 0,51 eV para el aceptor de Mg en AlN. Aunque los aceptores de Mg son un estado de masa efectivo en este semiconductor de banda ultra grande, como consecuencia de esta gran energía de enlace del aceptor de 0,51 eV, sólo una fracción muy pequeña (alrededor de 10-9) de los dopantes de Mg puede activarse a temperatura ambiente en el AlN dopado con Mg, lo que implica que es extremadamente difícil conseguir AlN de tipo p mediante el dopaje de Mg.

En la sección 7.5 se analizan las aplicaciones de las capas epitaxiales de AlN. Entre ellas se encuentra la inserción de epiláminas de AlN en emisores UV y UV profundo, sirviendo como capas activas o filtros de dislocación. Dado que una epilámina de AlN de alta calidad es transparente a la radiación UV hasta 200 nm y puede crecer con una morfología superficial superior a la de una aleación de AlGaN, es una plantilla ideal para el posterior crecimiento de estructuras de dispositivos fotónicos UV. También se discuten las aplicaciones de las epiláminas de AlN para otros tipos de aplicaciones de dispositivos activos, como los dispositivos de ondas acústicas superficiales (SAW) y de emisión de electrones.

En la sección 7.6, se presentan las observaciones finales, que se centran en las perspectivas de futuro y los retos pendientes.