7.1 INLEDNING

III-nitridhalvledare med brett bandgap har fått ett brett erkännande som tekniskt viktiga material. Fotoniska anordningar baserade på III-nitrider erbjuder många fördelar, bl.a. UV/blå/grön emission (vilket möjliggör detektering av kemibioagenser och högre optisk lagringstäthet), stora bandförskjutningar i InN/GaN/AlN-heterostrukturer (vilket möjliggör en ny design av kvantbrunnsanordningar) och en i sig hög emissionseffektivitet. Dessa unika egenskaper kan göra det möjligt att skapa optoelektroniska och fotoniska anordningar med oöverträffade egenskaper och funktioner. Forskningen om AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) med höga AlN-molfraktioner och anordningar som fungerar i ultravioletta (UV) spektralområden befinner sig fortfarande i ett embryonalt stadium. Att uppnå Al-rich AlGaN med hög ledningsförmåga och hög kvanteffektivitet förblir en av de främsta utmaningarna för nitridforskarna.

AlN och Al-rich AlGaN-legeringar, som täcker våglängder från 300 till 200 nm, är idealiska material för utveckling av UV-ljuskällor/-sensorer i chipskala, eftersom AlGaN är det enda halvledarsystem med ultrabredt bandgap där bandgapet enkelt kan konstrueras genom användning av legering och heterostrukturdesign. Effektiva UV-ljuskällor/sensorer i fast tillstånd är avgörande för många forsknings- och utvecklingsområden. Till exempel exciteras proteinfluorescens i allmänhet av UV-ljus, och övervakning av förändringar av den inneboende fluorescensen i ett protein kan ge viktig information om dess strukturella förändringar . Tillgången till UV-ljuskällor i chipskala förväntas därför öppna nya möjligheter för medicinsk forskning och hälsovård. UV-ljuskällor i fasta tillstånd har också tillämpningar inom vattenrening, dekontaminering av utrustning/personal och generering av vitt ljus . Det finns ett brådskande behov av att utveckla nya metoder för att ytterligare förbättra materialkvaliteten med minskad dislokationstäthet och oavsiktliga föroreningar och förbättrade ytmorfologier i Al-rika AlGaN-legeringar, vilket skulle förbättra dopningseffektiviteten och enhetens prestanda.

AlN är en slutpunkt i AlGaN-legeringssystemet. En fullständig förståelse av AlGaN-legeringssystemet (särskilt Al-rika AlGaN-legeringar) kan inte uppnås förrän det binära AlN-materialet är väl förstått. AlN är dessutom unikt på grund av att ingen annan halvledare har ett så stort direkt bandgap samt möjligheten att manipulera bandgapet genom användning av heterostrukturer. Trots att AlN:s betydelse erkänns är många av dess grundläggande optiska emissionsegenskaper inte välkända på grund av bristen på högkvalitativa material och på grund av de tekniska svårigheterna med optiska mätningar i djup UV-strålning (ner till 200 nm). På senare tid har snabba framsteg gjorts när det gäller epitaxiell tillväxt och förståelse av de grundläggande fysikaliska egenskaperna samt tillämpningar av AlN-epilager. Syftet med detta kapitel är att ge en kort sammanfattning av dessa senaste framsteg med tonvikt på de grundläggande optiska egenskaperna, grundläggande parametrar för föroreningar och konduktivitetskontroll av epitaxiala AlN- och AlGaN-filmer med höga Al-halter.

I avsnitt 7.2 diskuterar vi epitaxial tillväxt och karakteriseringstekniker för att identifiera högkvalitativa filmer; t.ex. atomkraftsmikroskopi (AFM) för att studera ytmorfologin och SIMS för att sondera oavsiktliga föroreningar som t.ex. syre. I avsnitt 7.3 presenterar vi de senaste framstegen när det gäller att förstå de grundläggande optiska egenskaperna hos AlN. Den detaljerade bandstrukturen nära Γ-punkten i wurtzit (WZ) AlN presenteras. AlN:s unika bandstruktur, dvs. den negativa kristallfältsdelningen, påverkar i hög grad de optiska egenskaperna hos AlGaN-legeringar, i synnerhet hos Al-rika AlGaN-legeringar. En av de omedelbara konsekvenserna är att den dominerande bandkantsemissionen i GaN (AlN) är med polarisationen E ⊥ c (E||c). Följaktligen minskar emissionsintensiteten i Al-rika AlxGa1-xN-legeringar med ökande x för epilager som odlas på safir i c-planet. Rekombinationsdynamiken för de bundna excitonerna (I2) och de fria excitonerna (FX) i AlN-epilager undersöktes genom tidsupplöst fotoluminescens (PL) i djup UV. PL-avklingningslivslängderna visade sig vara omkring 80 ps för den bundna excitonen och 50 ps för den fria excitonen vid 10 K i AlN-epilager, vilket är något kortare än i GaN. Detta är en direkt följd av AlN:s stora energibandgap. De extrapolerade livstiderna för strålningsfall i AlN-epilager ökar med temperaturen i enlighet med T3/2 mellan 100 och 200 K och påverkas av dissociationen av den fria excitonen vid temperaturer över 200 K, vilket följer samma trend som i GaN. Från emissionsspektren vid låg temperatur (10 K), rekombinationslivslängdens temperaturberoende och aktiveringsenergin för PL-emissionens intensitet, har man dragit slutsatsen att bindningsenergierna för de donatorbundna excitonerna och de fria excitonerna i AlN är omkring 16 respektive 80 meV. Den observerade stora bindningsenergin för fria excitoner innebär att excitoner i AlN är extremt robusta enheter som skulle överleva långt över rumstemperaturen. Övergångar av föroreningar som involverar kvävevakanser som genereras under jonimplantation och Al-vakanser och/eller komplex i de skikt som vuxit fram har studerats. Resultaten visar att VAl- och/eller VAl-ON-komplex är djupa acceptorer med en energinivå på 2,59 eV över AlN:s valensband, vilket är direkt korrelerat med den minskade ledningsförmågan i Al-rika AlGaN och AlN och därmed skadligt för optoelektroniska anordningar som använder AlN- och AlGaN-epilager. Den experimentellt bestämda energinivån för kvävevakanser är cirka 260 meV. Till följd av den stora aktiveringsenergin (0,26 eV) samt den höga bildningsenergin kan VN i AlN inte bidra väsentligt till n-typ ledningsförmågan.

Med de senaste framstegen inom epitaxiell tillväxt har ledande n-typ Al-rika AlxGa1-xN-legeringar av Al-rika AlxGa1-xN med höga Al-halter (x ≥ 0,7) erhållits. I avsnitt 7.4 sammanfattas de senaste framstegen när det gäller konduktivitetskontrollen av AlGaN-legeringar med höga Al-halter och AlN och förståelsen av föroreningsparametrarna i dessa material. En resistivitet av n-typ vid rumstemperatur så låg som 0,0075 Ω cm med en elektronkoncentration på 3,3 × 1019 cm-3 och en rörlighet på 25 cm2/V s har erhållits för Al0,7Ga0,3N. Resistiviteten observerades öka med nästan en storleksordning när Al-innehållet ökade med cirka 8 %, vilket beror på att Si-donatornivån blir djupare med ökande x. Transportmätningar har visat att n-typ ledning kan uppnås i ren AlN. Det konstaterades att kraftig dopning krävs för att sänka donatoraktiveringsenergin och uppnå högre ledningsförmåga i Al-rika AlGaN-legeringar. Mg-acceptorns joniseringsenergi i AlxGa1-xN-legeringar som en funktion av x har också mätts, varifrån en bindningsenergi på 0,51 eV för Mg-acceptorn i AlN bestämdes. Även om Mg-acceptorerna är ett effektivt masstillstånd i denna halvledare med ultrastort bandgap, kan som en följd av denna stora acceptorbindningsenergi på 0,51 eV endast en mycket liten del (ca 10-9) av Mg-doporerna aktiveras vid rumstemperatur i Mg-dopat AlN, vilket innebär att det är ytterst svårt att åstadkomma AlN av p-typ genom Mg-dopning.

I avsnitt 7.5 diskuteras tillämpningar av epitaxiala lager av AlN. Dessa inkluderar insättning av AlN-epilager i UV- och djup UV-strålare, som tjänar som aktiva skikt eller dislokationsfilter. Eftersom ett högkvalitativt AlN-epilager är UV-transparent ända ner till 200 nm och kan odlas med överlägsen ytmorfologi jämfört med en AlGaN-legering, är det en idealisk mall för den efterföljande tillväxten av UV-fotoniska enheters struktur. Tillämpningar av AlN-epilager för andra typer av aktiva anordningar, t.ex. för akustiska ytvågor (SAW) och elektronemissionsanordningar, diskuteras också.

I avsnitt 7.6 presenterar vi avslutande anmärkningar med fokus på framtidsutsikter och återstående utmaningar.