7.1 INTRODUZIONE

I semiconduttori ad ampio bandgap in nitruro sono stati ampiamente riconosciuti come materiali tecnologicamente importanti. I dispositivi fotonici basati sui III-nitruri offrono molti vantaggi, tra cui l’emissione UV/blu/verde (che consente il rilevamento di agenti chimici e biologici e una maggiore densità di archiviazione ottica), i grandi offset di banda delle eterostrutture InN/GaN/AlN (che consentono la progettazione di nuovi dispositivi a pozzo quantico) e un’efficienza di emissione intrinsecamente elevata. Queste caratteristiche uniche possono permettere la creazione di dispositivi optoelettronici e fotonici con proprietà e funzioni senza precedenti. Le attività di ricerca su AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) con alte frazioni molari di AlN e dispositivi che operano nelle regioni spettrali ultraviolette (UV) sono ancora nel loro stato embrionale. Raggiungere dispositivi di qualità Al-rich AlGaN con alte conducibilità e alte efficienze quantiche rimane una delle principali sfide per la comunità dei nitruri.

AlN e leghe Al-rich AlGaN, che coprono lunghezze d’onda da 300 a 200 nm, sono materiali ideali per lo sviluppo di sorgenti/sensori di luce UV su chip, perché AlGaN è l’unico sistema di semiconduttori ultra-wide-bandgap in cui il bandgap può essere facilmente ingegnerizzato attraverso l’uso di leghe e design eterostruttura. Sorgenti/sensori di luce UV a stato solido efficienti sono cruciali in molti campi di ricerca e sviluppo. Per esempio, la fluorescenza delle proteine è generalmente eccitata dalla luce UV; il monitoraggio dei cambiamenti della fluorescenza intrinseca in una proteina può fornire importanti informazioni sui suoi cambiamenti strutturali. Pertanto, la disponibilità di sorgenti di luce UV su scala di chip dovrebbe aprire nuove opportunità per la ricerca medica e l’assistenza sanitaria. Le fonti di luce UV allo stato solido hanno anche applicazioni nella purificazione dell’acqua, nella decontaminazione di attrezzature/persone e nella generazione di luce bianca. C’è un bisogno urgente di sviluppare nuovi approcci per migliorare ulteriormente la qualità del materiale con una ridotta densità di dislocazioni e impurità non intenzionali e migliori morfologie di superficie nelle leghe Al-ricche di AlGaN, che migliorerebbero l’efficienza di drogaggio e le prestazioni del dispositivo.

AlN è un punto finale del sistema di leghe AlGaN. Una piena comprensione del sistema di leghe AlGaN (in particolare delle leghe Al-rich AlGaN) non potrebbe essere raggiunta prima che il materiale binario AlN sia ben compreso. Inoltre, l’AlN è unico per il fatto che nessun altro semiconduttore possiede un bandgap diretto così grande così come la capacità di ingegneria del bandgap attraverso l’uso di eterostrutture. Nonostante il riconoscimento dell’importanza dell’AlN, molte delle sue fondamentali proprietà di emissione ottica non sono ben conosciute in passato a causa della mancanza di materiali di alta qualità e delle difficoltà tecniche per le misure ottiche nell’UV profondo (fino a 200 nm). Recentemente sono stati fatti rapidi progressi nella crescita epitassiale e nella comprensione delle proprietà fisiche di base, così come nelle applicazioni dei dispositivi degli epilayer di AlN. Questo capitolo mira a fornire un breve riassunto su questi recenti progressi con enfasi sulle proprietà ottiche fondamentali, sui parametri di base delle impurità e sul controllo della conducibilità dei film epitassiali di AlN e AlGaN con alti contenuti di Al. Nella sezione 7.2, discutiamo la crescita epitassiale e le tecniche di caratterizzazione per identificare i film di alta qualità; come la microscopia a forza atomica (AFM) per studiare la morfologia superficiale e il SIMS per sondare le impurità non intenzionali come l’ossigeno. Nella sezione 7.3, presentiamo i recenti progressi nella comprensione delle proprietà ottiche fondamentali di AlN. Viene presentata la struttura dettagliata della banda vicino al punto Γ dell’AlN wurtzite (WZ). La struttura unica della banda di AlN, cioè la scissione negativa del campo cristallino, influenza profondamente le proprietà ottiche delle leghe di AlGaN, in particolare delle leghe Al-rich AlGaN. Una delle conseguenze immediate è che l’emissione dominante del band-edge nel GaN (AlN) è con polarizzazione di E ⊥ c (E||c). Di conseguenza, l’intensità di emissione nelle leghe Al-rich AlxGa1-xN diminuisce con l’aumento di x per gli epilayer cresciuti sul piano c dello zaffiro. Le dinamiche di ricombinazione dell’eccitone legato (I2) e delle transizioni dell’eccitone libero (FX) negli epilayer di AlN sono state sondate dalla fotoluminescenza (PL) UV profonda risolta nel tempo. I tempi di decadimento PL sono stati trovati intorno a 80 ps per l’eccitone legato e 50 ps per l’eccitone libero a 10 K negli epilayer AlN, che sono leggermente più brevi di quelli in GaN. Questo è una diretta conseguenza del grande bandgap energetico dell’AlN. I tempi di vita di decadimento radiativo estrapolati negli epilayer di AlN aumentano con la temperatura secondo T3/2 tra 100 e 200 K e sono influenzati dalla dissociazione dell’eccitone libero a temperature superiori a 200 K, seguendo la stessa tendenza del GaN. Dagli spettri di emissione a bassa temperatura (10 K), la dipendenza dalla temperatura del tempo di ricombinazione e l’energia di attivazione dell’intensità di emissione PL, le energie di legame degli eccitoni legati al donatore e degli eccitoni liberi in AlN sono state dedotte essere rispettivamente intorno a 16 e 80 meV. La grande energia di legame degli eccitoni liberi osservata implica che gli eccitoni in AlN sono entità estremamente robuste che sopravvivono ben oltre la temperatura ambiente. Sono state studiate le transizioni di impurità che coinvolgono i vuoti di azoto generati durante l’impiantazione ionica e i vuoti e/o complessi di Al negli strati non coltivati. I risultati indicano che i complessi VAl e/o VAl-ON sono accettori profondi con un livello di energia di 2.59 eV sopra la banda di valenza di AlN, che è direttamente correlato con le conducibilità ridotte in Al-rich AlGaN e AlN ed è quindi dannoso per i dispositivi optoelettronici utilizzando epilayer AlN e AlGaN. Il livello energetico del vuoto di azoto determinato sperimentalmente è di circa 260 meV. Come conseguenza della grande energia di attivazione (0.26 eV) così come dell’alta energia di formazione, il VN in AlN non può contribuire significativamente alla conduttività di tipo n.

Con i recenti progressi nella crescita epitassiale, sono state ottenute leghe Al-rich AlxGa1-xN di tipo n conduttivo con alti contenuti di Al (x ≥ 0.7). La sezione 7.4 riassume i recenti progressi nel controllo della conduttività delle leghe AlGaN ad alto contenuto di Al e AlN e la comprensione dei parametri di impurità in questi materiali. Una resistività di tipo n a temperatura ambiente di appena 0.0075 Ω cm con una concentrazione di elettroni di 3.3 × 1019 cm-3 e mobilità di 25 cm2/V s è stata ottenuta per Al0.7Ga0.3N. La resistività è stata osservata aumentare di quasi un ordine di grandezza all’aumentare del contenuto di Al di circa l’8%, a causa dell’approfondimento del livello donatore di Si con l’aumento di x. Le misure di trasporto hanno indicato che è possibile ottenere una conduzione di tipo n in AlN puro. Si è scoperto che il drogaggio pesante è necessario per abbassare l’energia di attivazione del donatore e raggiungere conducibilità più elevate nelle leghe Al-rich AlGaN. È stata anche misurata l’energia di ionizzazione dell’accettore di Mg nelle leghe AlxGa1-xN in funzione di x, da cui è stata determinata un’energia di legame di 0,51 eV per l’accettore di Mg in AlN. Anche se gli accettori di Mg sono uno stato di massa efficace in questo semiconduttore con bandgap ultra grande, come conseguenza di questa grande energia di legame dell’accettore di 0,51 eV, solo una frazione molto piccola (circa 10-9) di droganti di Mg può essere attivata a temperatura ambiente in AlN drogato con Mg, il che implica che è estremamente difficile ottenere AlN di tipo p tramite drogaggio di Mg.

La sezione 7.5 discute le applicazioni degli strati epitassiali di AlN. Queste includono l’inserimento di epilayer di AlN in emettitori UV e UV profondo, che servono come strati attivi o filtri di dislocazione. Poiché un epilayer di AlN di alta qualità è trasparente agli UV fino a 200 nm e può essere coltivato con una morfologia superficiale superiore a quella di una lega AlGaN, è un modello ideale per la successiva crescita della struttura del dispositivo fotonico UV. Vengono anche discusse le applicazioni degli epilayer di AlN per altri tipi di dispositivi attivi, come le onde acustiche superficiali (SAW) e i dispositivi a emissione di elettroni.

Nella sezione 7.6, presentiamo le osservazioni conclusive con particolare attenzione alle prospettive future e alle sfide rimanenti.