7.1 INTRODUCTION

III-nitride brede bandgap halfgeleiders zijn algemeen erkend als technologisch belangrijke materialen. Fotonische apparaten op basis van III-nitriden bieden vele voordelen, waaronder UV / blauw / groen emissie (waardoor chemisch-bio-agenten detectie en hogere optische opslag dichtheid), grote band offsets van InN / GaN / AlN heterostructuren (waardoor nieuwe quantum well apparaat ontwerp), en inherent hoge emissie-efficiënties. Deze unieke eigenschappen kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van opto-elektronische en fotonische componenten met ongekende eigenschappen en functies. Het onderzoek naar AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) met hoge AlN-moleculen en apparaten die werken in het ultraviolette (UV) spectrale gebied bevindt zich nog in de embryonale fase. Het bereiken van apparaatkwaliteit Al-rijk AlGaN met hoge geleidbaarheid en hoge kwantumefficiëntie blijft een van de belangrijkste uitdagingen voor de nitride gemeenschap.

AlN en Al-rijke AlGaN legeringen, die golflengten van 300 tot 200 nm bestrijken, zijn ideale materialen voor de ontwikkeling van chip-schaal UV-lichtbronnen/sensoren, omdat AlGaN het enige ultrabrede-bandgap halfgeleidersysteem is waarin de bandgap gemakkelijk kan worden gemanipuleerd door het gebruik van legering en heterostructuurontwerp. Efficiënte vastestof UV-lichtbronnen/sensoren zijn van cruciaal belang op vele gebieden van onderzoek en ontwikkeling. Zo wordt proteïnefluorescentie in het algemeen door UV-licht geëxciteerd; het volgen van veranderingen in de intrinsieke fluorescentie in een proteïne kan belangrijke informatie opleveren over de structurele veranderingen ervan. Verwacht wordt dan ook dat de beschikbaarheid van UV-lichtbronnen op chipschaal nieuwe mogelijkheden zal openen voor medisch onderzoek en gezondheidszorg. Solid-state UV-lichtbronnen hebben ook toepassingen in waterzuivering, decontaminatie van uitrusting/personeel, en het genereren van wit licht . Er is dringend behoefte aan nieuwe benaderingen om de materiaalkwaliteit verder te verbeteren met verminderde dislocatiedichtheid en onbedoelde onzuiverheden en verbeterde oppervlaktemorfologieën in Al-rijke AlGaN-legeringen, wat de doperingsefficiëntie en apparaatprestaties zou verbeteren.

AlN is een eindpunt van het AlGaN-legeringssysteem. Een volledig begrip van het AlGaN legeringssysteem (in het bijzonder Al-rijke AlGaN legeringen) kan niet worden bereikt voordat het binaire AlN materiaal goed is begrepen. Bovendien is AlN uniek door het feit dat geen andere halfgeleiders zo’n grote directe bandkloof bezitten, alsook de mogelijkheid tot bandkloof engineering door het gebruik van heterostructuren. Ondanks de erkenning van het belang van AlN, zijn veel van zijn fundamentele optische emissie-eigenschappen in het verleden niet goed bekend door het gebrek aan materialen van hoge kwaliteit en door technische moeilijkheden bij optische metingen in het diepe UV-bereik (tot 200 nm). Recentelijk is snelle vooruitgang geboekt in de epitaxiale groei en het begrip van de fysische basiseigenschappen, alsook in de apparaattoepassingen van AlN epilagen. Dit hoofdstuk beoogt een korte samenvatting te geven van deze recente vorderingen, met de nadruk op de fundamentele optische eigenschappen, fundamentele onzuiverheidsparameters, en geleidbaarheidscontrole van AlN en AlGaN epitaxiale films met een hoog Al-gehalte.

In Paragraaf 7.2 bespreken we epitaxiale groei en karakteriseringstechnieken om films van hoge kwaliteit te identificeren; zoals atomaire-krachtmicroscopie (AFM) voor het bestuderen van de oppervlaktemorfologie en SIMS voor het peilen van onbedoelde onzuiverheden, zoals zuurstof. In Paragraaf 7.3 presenteren wij recente vorderingen in het begrip van de fundamentele optische eigenschappen van AlN. De gedetailleerde bandstructuur nabij het Γ-punt van wurtziet (WZ) AlN wordt gepresenteerd. De unieke bandstructuur van AlN, d.w.z. de negatieve kristal-veld splitsing, beïnvloedt diepgaand de optische eigenschappen van AlGaN legeringen, in het bijzonder van Al-rijke AlGaN legeringen. Een van de onmiddellijke gevolgen is dat de dominante band-edge emissie in GaN (AlN) is met polarisatie van E ⊥ c (E||c). Dienovereenkomstig neemt de emissie-intensiteit in Al-rijke AlxGa1-xN legeringen af met toenemende x voor epilagen gegroeid op het c-vlak saffier. De recombinatiedynamica van de gebonden exciton (I2) en vrije exciton (FX) overgangen in AlN epilagen werden onderzocht met diepe UV tijdsgeresolveerde fotoluminescentie (PL). De PL-vervallevensduur bleek ongeveer 80 ps te zijn voor het gebonden exciton en 50 ps voor het vrije exciton bij 10 K in AlN epilagen, die iets korter zijn dan die in GaN. Dit is een direct gevolg van de grote energiebandkloof van AlN. De geëxtrapoleerde radiatieve vervallevensduur in AlN epilagen neemt toe met de temperatuur volgens T3/2 tussen 100 en 200 K en wordt beïnvloed door de vrije-excitondissociatie bij temperaturen boven 200 K, volgens dezelfde trend als in GaN. Uit de emissiespectra bij lage temperatuur (10 K), de temperatuurafhankelijkheid van de recombinatielevensduur en de activeringsenergie van de PL-emissie-intensiteit, werden de bindingsenergieën van de donorgebonden excitonen en vrije excitonen in AlN afgeleid op ongeveer 16 en 80 meV, respectievelijk. De waargenomen grote vrije-exciton bindingsenergie impliceert dat excitonen in AlN uiterst robuuste entiteiten zijn die ruim boven de kamertemperatuur zouden overleven. Onzuiverheidstransities waarbij stikstofvacatures ontstaan tijdens ionenimplantatie en Al-vacatures en/of -complexen in zoals gegroeide lagen zijn bestudeerd. De resultaten tonen aan dat VAl- en/of VAl-ON-complexen diepe acceptoren zijn met een energieniveau van 2,59 eV boven de valentieband van AlN, wat direct gecorreleerd is met de verminderde geleidbaarheid in Al-rijk AlGaN en AlN en dus nadelig is voor opto-elektronische apparaten die gebruik maken van AlN en AlGaN epilagen. Het experimenteel bepaalde energieniveau van de stikstofleegte ligt rond 260 meV. Als gevolg van de grote activeringsenergie (0,26 eV) en de hoge vormingsenergie, kan VN in AlN niet significant bijdragen aan de n-type geleidbaarheid.

Met recente vooruitgang in epitaxiale groei, zijn geleidende n-type Al-rijke AlxGa1-xN legeringen met hoge Al gehaltes (x ≥ 0,7) verkregen. Paragraaf 7.4 geeft een samenvatting van recente vorderingen bij de geleidbaarheidscontrole van AlGaN-legeringen met hoge Al-gehaltes en AlN en het begrip van onzuiverheidsparameters in deze materialen. Een n-type weerstand bij kamertemperatuur van slechts 0,0075 Ω cm met een elektronenconcentratie van 3,3 × 1019 cm-3 en een mobiliteit van 25 cm2/V s werd verkregen voor Al0,7Ga0,3N. De weerstand nam toe met bijna een orde van grootte naarmate het Al-gehalte met ongeveer 8% toenam, als gevolg van de verdieping van het Si donorniveau met toenemende x. Transportmetingen hebben aangetoond dat n-type geleiding in zuiver AlN kan worden bereikt. Men ontdekte dat een hoge doteringsgraad nodig is om de activeringsenergie van de donor te verlagen en hogere geleidbaarheden te bereiken in Al-rijke AlGaN-legeringen. De ionisatie-energie van de Mg-acceptor in AlxGa1-xN-legeringen als functie van x werd ook gemeten, waaruit een bindingsenergie van 0,51 eV voor de Mg-acceptor in AlN werd bepaald. Hoewel Mg-acceptoren een effectieve massatoestand zijn in deze ultra-grote-bandkloof halfgeleider, kan als gevolg van deze grote acceptorbindingsenergie van 0,51 eV slechts een zeer kleine fractie (ongeveer 10-9) Mg-doperanten worden geactiveerd bij kamertemperatuur in Mg-gedoteerd AlN, wat impliceert dat het uiterst moeilijk is om p-type AlN te bereiken door Mg-dopering.

Paragraaf 7.5 bespreekt toepassingen van AlN epitaxiale lagen. Deze omvatten het inbrengen van AlN epilagen in UV- en diepe UV-emitters, die dienen als actieve lagen of dislocatiefilters. Aangezien een hoogwaardige AlN epilaag UV-transparant is tot 200 nm en kan worden gekweekt met een superieure oppervlaktemorfologie dan een AlGaN legering, is het een ideaal sjabloon voor de daaropvolgende groei van de UV fotonische apparaatstructuur. Toepassingen van AlN epilagen voor andere actieve toepassingen zoals SAW (surface acoustic wave) en elektron emissie apparaten worden ook besproken.

In paragraaf 7.6, presenteren we afsluitende opmerkingen met de nadruk op de toekomstperspectieven en resterende uitdagingen.