7.1 BEVEZETÉS

III-nitrid széles sávhatárú félvezetők széles körben elismert, technológiailag fontos anyagok. A III-nitrideken alapuló fotonikus eszközök számos előnyt kínálnak, beleértve az UV/kék/zöld emissziót (ami lehetővé teszi a kémiai-biológiai szerek kimutatását és a nagyobb optikai tárolási sűrűséget), az InN/GaN/AlN heterostruktúrák nagy sáveltolódásait (ami újszerű kvantumkút eszköztervezést tesz lehetővé) és az eredendően magas emissziós hatásfokot. Ezek az egyedülálló tulajdonságok eddig nem látott tulajdonságokkal és funkciókkal rendelkező optoelektronikai és fotonikai eszközök létrehozását tehetik lehetővé. Az AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) nagy AlN-molfrakcióval és az ultraibolya (UV) spektrális tartományokban működő eszközökkel kapcsolatos kutatási tevékenységek még embrionális állapotban vannak. Az eszközminőségű, nagy vezetőképességű és nagy kvantumhatásfokú AlDús AlGaN elérése továbbra is a nitridek közösségének egyik legnagyobb kihívása.

Az AlN és az AlDús AlGaN ötvözetek, amelyek a 300 és 200 nm közötti hullámhosszakat fedik le, ideális anyagok a chip méretű UV fényforrások/érzékelők fejlesztéséhez, mivel az AlGaN az egyetlen olyan ultra széles sávszélességű félvezető rendszer, amelyben a sávszélesség könnyen alakítható ötvözés és heterostruktúra tervezés révén. A hatékony szilárdtest UV-fényforrások/érzékelők a kutatás és fejlesztés számos területén kulcsfontosságúak. Például a fehérjék fluoreszcenciáját általában UV-fény gerjeszti; a fehérje saját fluoreszcenciájának változásainak megfigyelése fontos információkat szolgáltathat a fehérje szerkezeti változásairól. Így a chipméretű UV-fényforrások elérhetősége várhatóan új lehetőségeket nyit meg az orvosi kutatás és az egészségügy számára. A szilárdtest UV-fényforrások a víztisztításban, a berendezések/személyzet fertőtlenítésében és a fehér fény előállításában is alkalmazhatók. Sürgős szükség van új megközelítések kidolgozására az anyagminőség további javítása érdekében, csökkentett diszlokációs sűrűséggel és nem szándékos szennyeződésekkel, valamint javított felületi morfológiával az Al-dús AlGaN ötvözetekben, ami javítaná az adalékolás hatékonyságát és az eszköz teljesítményét.

Az AlN az AlGaN ötvözetrendszer egyik végpontja. Az AlGaN ötvözetrendszer (különösen az Al-dús AlGaN ötvözetek) teljes megértése nem valósulhat meg, amíg a bináris AlN anyagot jól nem értjük. Ráadásul az AlN egyedülálló, mivel egyetlen más félvezető sem rendelkezik ilyen nagy közvetlen sávhézaggal, valamint a heterostruktúrák alkalmazásával a sávhézag kialakításának képességével. Annak ellenére, hogy az AlN fontosságát felismerték, számos alapvető optikai emissziós tulajdonsága nem volt jól ismert a múltban a jó minőségű anyagok hiánya, valamint a mély UV (200 nm-ig) optikai mérésekkel járó technikai nehézségek miatt. Az utóbbi időben gyors előrelépés történt az epitaxiális növesztés és az alapvető fizikai tulajdonságok megértése, valamint az AlN epirétegek eszközalkalmazásai terén. E fejezet célja, hogy röviden összefoglalja ezeket a közelmúltbeli eredményeket, hangsúlyt fektetve a magas Al-tartalmú AlN és AlGaN epitaxiális rétegek alapvető optikai tulajdonságaira, alapvető szennyeződési paramétereire és vezetőképesség-szabályozására.

A 7.2. szakaszban tárgyaljuk az epitaxiális növekedést és a kiváló minőségű rétegek azonosítására szolgáló jellemzési technikákat; például az atomerő-mikroszkópiát (AFM) a felületi morfológia vizsgálatára és a SIMS-t a nem szándékos szennyeződések, például az oxigén vizsgálatára. A 7.3. szakaszban bemutatjuk az AlN alapvető optikai tulajdonságainak megértésében elért legújabb eredményeket. Bemutatjuk a wurtzit (WZ) AlN részletes sávszerkezetét a Γ-pont közelében. Az AlN egyedi sávszerkezete, azaz a negatív kristálymező-felhasadás alapvetően befolyásolja az AlGaN ötvözetek, különösen az Al-dús AlGaN ötvözetek optikai tulajdonságait. Ennek egyik közvetlen következménye, hogy a GaN-ben (AlN) a sávszélsugárzás E ⊥ c (E||c) polarizációval dominál. Ennek megfelelően az Al-dús AlxGa1-xN ötvözetekben az emisszió intenzitása csökken az x növekedésével a c-síkú zafírra növesztett epilayerek esetében. Az AlN epilayerekben a kötött (I2) és a szabad (FX) exciton átmenetek rekombinációs dinamikáját mély UV időben feloldott fotolumineszcenciával (PL) vizsgáltuk. A PL bomlási élettartama 10 K-en az AlN epilayerekben 80 ps körül van a kötött exciton és 50 ps a szabad exciton esetében, ami valamivel rövidebb, mint a GaN-ben. Ez egyenes következménye az AlN nagy energiasávszélességének. Az extrapolált sugárzási bomlási élettartamok az AlN epilayerekben 100 és 200 K között a T3/2 szerint nőnek a hőmérséklettel, és 200 K feletti hőmérsékleten a szabad excíonok disszociációja befolyásolja őket, ugyanazt a tendenciát követve, mint a GaN-ben. Az alacsony hőmérsékletű (10 K) emissziós spektrumokból, a rekombinációs élettartam hőmérsékletfüggéséből és a PL emissziós intenzitás aktiválási energiájából az AlN-ben a donorhoz kötött excitonok és a szabad excitonok kötési energiájára 16, illetve 80 meV körüli értékekre következtettünk. A megfigyelt nagy szabad-exciton kötési energia arra utal, hogy az AlN-ben lévő excitonok rendkívül robusztus entitások, amelyek jóval a szobahőmérséklet felett is fennmaradnának. Tanulmányoztuk az ionimplantáció során keletkező nitrogén-üres helyeket és a már növesztett rétegekben lévő Al-üres helyeket és/vagy komplexeket érintő szennyezőanyag-átmeneteket. Az eredmények azt mutatják, hogy a VAl és/vagy VAl-ON komplexek mély akceptorok az AlN valenciasávja fölötti 2,59 eV-os energiaszinttel, ami közvetlenül korrelál az Al-dús AlGaN és AlN csökkent vezetőképességével, és így káros az AlN és AlGaN epilayert használó optoelektronikai eszközökre. A kísérletileg meghatározott nitrogénüresedés energiaszintje 260 meV körül van. A nagy aktiválási energia (0,26 eV), valamint a magas képződési energia következtében a VN az AlN-ban nem tud jelentősen hozzájárulni az n-típusú vezetőképességhez.

Az epitaxiális növesztés legújabb fejlődésével nagy Al-tartalmú (x ≥ 0,7) n-típusú, vezető Al-gazdag AlxGa1-xN ötvözeteket kaptak. A 7.4. szakasz összefoglalja a magas Al-tartalmú AlGaN-ötvözetek és az AlN vezetőképességének szabályozásában elért legújabb eredményeket és az ezen anyagok szennyeződési paramétereinek megértését. Al0,7Ga0,3N esetében 3,3 × 1019 cm-3 elektronkoncentráció és 25 cm2/V s mobilitás mellett szobahőmérsékleten mindössze 0,0075 Ω cm n-típusú ellenállást értek el. Megfigyelték, hogy az ellenállás közel egy nagyságrenddel nőtt az Al-tartalom kb. 8%-kal való növelésével, ami a Si donorszint mélyülésének köszönhető az x növekedésével. A transzportmérések azt mutatták, hogy tiszta AlN-ben n-típusú vezetés érhető el. Megállapították, hogy az Al-dús AlGaN ötvözetekben a donor aktiválási energia csökkentéséhez és a nagyobb vezetőképesség eléréséhez erős adalékolásra van szükség. Mg akceptor ionizációs energiát is mértek AlxGa1-xN ötvözetekben az x függvényében, amelyből 0,51 eV kötési energiát határoztak meg az AlN-ben lévő Mg akceptor számára. Bár az Mg-akceptorok hatékony tömegállapotot jelentenek ebben az ultra-nagy sávszélességű félvezetőben, ennek a nagy, 0,51 eV-os akceptor-kötési energiának a következményeként az Mg-dotált AlN-ben szobahőmérsékleten csak nagyon kis hányada (kb. 10-9) aktiválható Mg-adalékanyagnak, ami arra utal, hogy Mg-adalékolással rendkívül nehéz p-típusú AlN-t elérni.

A 7.5. szakasz az AlN epitaxiális rétegek alkalmazásait tárgyalja. Ezek közé tartozik az AlN-epilrétegek beillesztése UV- és mély UV-sugárzókba, amelyek aktív rétegként vagy diszlokációs szűrőként szolgálnak. Mivel egy jó minőségű AlN epilayer egészen 200 nm-ig UV-transzparens, és kiváló felületi morfológiával növeszthető egy AlGaN ötvözethez képest, ideális sablon a későbbi UV-fotonikus eszközszerkezetek növekedéséhez. Az AlN epilayerek más típusú aktív eszközalkalmazásokban, például felületi akusztikus hullám (SAW) és elektronemissziós eszközökben való alkalmazása is szóba kerül.

A 7.6. szakaszban a jövőbeli kilátásokra és a fennmaradó kihívásokra összpontosító záró megjegyzések szerepelnek.