7.1 INTRODUCTION

Les semi-conducteurs à large bande interdite en nitrure III ont été largement reconnus comme des matériaux technologiquement importants. Les dispositifs photoniques basés sur les nitrures III offrent de nombreux avantages, notamment l’émission UV/bleue/verte (permettant la détection des agents chimiques et biologiques et une densité de stockage optique plus élevée), les grands décalages de bande des hétérostructures InN/GaN/AlN (permettant la conception de nouveaux dispositifs à puits quantiques) et des efficacités d’émission intrinsèquement élevées. Ces caractéristiques uniques peuvent permettre la création de dispositifs optoélectroniques et photoniques aux propriétés et fonctions sans précédent. Les activités de recherche sur l’AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) avec des fractions molaires élevées d’AlN et les dispositifs fonctionnant dans les régions spectrales ultraviolettes (UV) sont encore à l’état embryonnaire. L’AlN et les alliages AlGaN riches en Al, couvrant des longueurs d’onde de 300 à 200 nm, sont des matériaux idéaux pour le développement de sources/capteurs de lumière UV à l’échelle de la puce, car l’AlGaN est le seul système semi-conducteur à bande interdite ultra-large dans lequel la bande interdite peut être facilement modifiée par l’utilisation d’alliages et la conception d’hétérostructures. Des sources/capteurs de lumière UV à l’état solide efficaces sont essentiels dans de nombreux domaines de la recherche et du développement. Par exemple, la fluorescence des protéines est généralement excitée par la lumière UV ; le suivi des changements de la fluorescence intrinsèque d’une protéine peut fournir des informations importantes sur ses changements structurels. Ainsi, la disponibilité de sources de lumière UV à l’échelle de la puce devrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la recherche médicale et les soins de santé. Les sources de lumière UV à l’état solide ont également des applications dans la purification de l’eau, la décontamination du matériel et du personnel et la production de lumière blanche. Il existe un besoin urgent de développer de nouvelles approches pour améliorer encore la qualité des matériaux avec une réduction de la densité de dislocation et des impuretés involontaires et des morphologies de surface améliorées dans les alliages AlGaN riches en Al, ce qui améliorerait l’efficacité du dopage et les performances du dispositif.

AlN est un point final du système d’alliage AlGaN. Une compréhension complète du système d’alliage AlGaN (en particulier les alliages AlGaN riches en Al) ne pourrait pas être réalisée avant que le matériau binaire AlN soit bien compris. De plus, l’AlN est unique car aucun autre semi-conducteur ne possède une bande interdite directe aussi large, ainsi que la capacité d’ingénierie de la bande interdite par l’utilisation d’hétérostructures. Malgré la reconnaissance de l’importance de l’AlN, nombre de ses propriétés fondamentales d’émission optique ne sont pas bien connues par le passé en raison du manque de matériaux de haute qualité et des difficultés techniques liées aux mesures optiques dans l’UV profond (jusqu’à 200 nm). Des progrès rapides ont été réalisés récemment dans la croissance épitaxiale et la compréhension des propriétés physiques de base, ainsi que dans les applications des couches épitaxiales d’AlN. Ce chapitre vise à fournir un bref résumé sur ces avancées récentes en mettant l’accent sur les propriétés optiques fondamentales, les paramètres d’impuretés de base et le contrôle de la conductivité des films épitaxiaux d’AlN et d’AlGaN à haute teneur en Al.

Dans la section 7.2, nous discutons de la croissance épitaxiale et des techniques de caractérisation pour identifier les films de haute qualité ; comme la microscopie à force atomique (AFM) pour étudier la morphologie de la surface et le SIMS pour sonder les impuretés non intentionnelles telles que l’oxygène. Dans la section 7.3, nous présentons les avancées récentes dans la compréhension des propriétés optiques fondamentales de l’AlN. La structure de bande détaillée près du point Γ de l’AlN wurtzite (WZ) est présentée. La structure de bande unique de l’AlN, c’est-à-dire le fractionnement négatif du champ cristallin, affecte profondément les propriétés optiques des alliages d’AlGaN, en particulier des alliages d’AlGaN riches en Al. L’une des conséquences immédiates est que l’émission dominante de la limite de bande dans le GaN (AlN) est avec une polarisation de E ⊥ c (E||c). En conséquence, l’intensité de l’émission dans les alliages AlxGa1-xN riches en Al diminue avec l’augmentation de x pour les épilières cultivées sur le saphir du plan c. La dynamique de recombinaison des transitions entre exciton lié (I2) et exciton libre (FX) dans les couches épilées d’AlN a été étudiée par photoluminescence (PL) résolue dans l’UV profond. Les durées de vie de la désintégration PL sont d’environ 80 ps pour l’exciton lié et 50 ps pour l’exciton libre à 10 K dans les couches épilées d’AlN, ce qui est légèrement plus court que dans le GaN. Ceci est une conséquence directe de la grande bande d’énergie interdite de l’AlN. Les durées de vie de désintégration radiative extrapolées dans les couches d’AlN augmentent avec la température selon T3/2 entre 100 et 200 K et sont affectées par la dissociation de l’exciton libre à des températures supérieures à 200 K, suivant la même tendance que dans le GaN. À partir des spectres d’émission à basse température (10 K), de la dépendance en température de la durée de vie de la recombinaison et de l’énergie d’activation de l’intensité de l’émission PL, les énergies de liaison des excitons liés au donneur et des excitons libres dans l’AlN ont été déduites comme étant d’environ 16 et 80 meV, respectivement. La grande énergie de liaison des excitons libres observée implique que les excitons dans l’AlN sont des entités extrêmement robustes qui survivraient bien au-delà de la température ambiante. Les transitions d’impuretés impliquant des vacances d’azote générées pendant l’implantation ionique et des vacances et/ou complexes d’Al dans les couches brutes ont été étudiées. Les résultats indiquent que les complexes VAl et/ou VAl-ON sont des accepteurs profonds avec un niveau d’énergie de 2,59 eV au-dessus de la bande de valence de l’AlN, ce qui est directement corrélé avec les conductivités réduites dans l’AlGaN et l’AlN riches en Al et est donc préjudiciable aux dispositifs optoélectroniques utilisant des épiliers d’AlN et d’AlGaN. Le niveau d’énergie de la vacance d’azote déterminé expérimentalement est d’environ 260 meV. En conséquence de la grande énergie d’activation (0,26 eV) ainsi que de l’énergie de formation élevée, la VN dans l’AlN ne peut pas contribuer de manière significative à la conductivité de type n.

Avec les progrès récents de la croissance épitaxiale, des alliages AlxGa1-xN de type n conducteurs riches en Al avec des teneurs élevées en Al (x ≥ 0,7) ont été obtenus. La section 7.4 résume les avancées récentes dans le contrôle de la conductivité des alliages AlGaN à haute teneur en Al et AlN et la compréhension des paramètres des impuretés dans ces matériaux. Une résistivité de type n à température ambiante aussi basse que 0,0075 Ω cm avec une concentration d’électrons de 3,3 × 1019 cm-3 et une mobilité de 25 cm2/V s a été obtenue pour Al0,7Ga0,3N. On a observé que la résistivité augmentait de près d’un ordre de grandeur lorsque la teneur en Al était augmentée d’environ 8 %, en raison de l’approfondissement du niveau donneur de Si avec l’augmentation de x. Les mesures de transport ont indiqué que la conduction de type n dans l’AlN pur peut être obtenue. Il a été constaté qu’un dopage important est nécessaire pour réduire l’énergie d’activation du donneur et obtenir des conductivités plus élevées dans les alliages AlGaN riches en Al. L’énergie d’ionisation de l’accepteur de Mg dans les alliages AlxGa1-xN en fonction de x a également été mesurée, ce qui a permis de déterminer une énergie de liaison de 0,51 eV pour l’accepteur de Mg dans AlN. Bien que les accepteurs de Mg constituent un état de masse efficace dans ce semi-conducteur à ultra-large bande interdite, en conséquence de cette grande énergie de liaison de l’accepteur de 0,51 eV, seule une très petite fraction (environ 10-9) des dopants Mg peut être activée à température ambiante dans l’AlN dopé au Mg, ce qui implique qu’il est extrêmement difficile d’obtenir de l’AlN de type p par dopage au Mg.

La section 7.5 traite des applications des couches épitaxiales d’AlN. Celles-ci comprennent l’insertion d’épitaxies d’AlN dans des émetteurs UV et UV profond, servant de couches actives ou de filtres à dislocation. Étant donné qu’une couche épitaxiale d’AlN de haute qualité est transparente aux UV jusqu’à 200 nm et peut être cultivée avec une morphologie de surface supérieure à celle d’un alliage d’AlGaN, elle constitue un modèle idéal pour la croissance ultérieure de la structure d’un dispositif photonique UV. Les applications des couches épithéliales d’AlN pour d’autres types d’applications de dispositifs actifs tels que pour les ondes acoustiques de surface (SAW) et les dispositifs d’émission d’électrons sont également discutées.

Dans la section 7.6, nous présentons des remarques finales en nous concentrant sur les perspectives d’avenir et les défis restants.