7.1 WPROWADZENIE

Półprzewodniki szerokopasmowe na azotkach III są powszechnie uznawane za materiały o dużym znaczeniu technologicznym. Urządzenia fotoniczne oparte na III-azotkach oferują wiele korzyści, w tym emisję UV/niebieską/zieloną (umożliwiającą detekcję chemikaliów i większą gęstość pamięci optycznej), duże przesunięcia pasmowe heterostruktur InN/GaN/AlN (umożliwiające projektowanie nowych urządzeń ze studniami kwantowymi) oraz z natury wysoką wydajność emisji. Te unikalne cechy mogą pozwolić na stworzenie urządzeń optoelektronicznych i fotonicznych o niespotykanych dotąd właściwościach i funkcjach. Badania nad AlxGa1-xN (3.4 < Eg < 6.2 eV) o wysokim udziale molowym AlN i urządzeniami pracującymi w ultrafioletowych (UV) obszarach spektralnych są wciąż w fazie embrionalnej. Osiągnięcie wysokiej jakości AlGaN o wysokiej przewodności i wysokiej wydajności kwantowej pozostaje jednym z głównych wyzwań dla społeczności azotkowej.

AlN i bogate w AlN stopy AlGaN, obejmujące długości fali od 300 do 200 nm, są idealnymi materiałami do rozwoju źródeł/czujników światła UV na skalę chipową, ponieważ AlGaN jest jedynym półprzewodnikiem o ultra-szerokiej przerwie pasmowej, w którym przerwa pasmowa może być łatwo modyfikowana poprzez użycie stopów i projektowanie heterostruktur. Wydajne półprzewodnikowe źródła/czujniki światła UV są kluczowe w wielu dziedzinach badań i rozwoju. Na przykład, fluorescencja białek jest wzbudzana przez światło UV; monitorowanie zmian wewnętrznej fluorescencji w białku może dostarczyć ważnych informacji na temat jego zmian strukturalnych. Oczekuje się więc, że dostępność źródeł światła UV w skali chipowej otworzy nowe możliwości dla badań medycznych i opieki zdrowotnej. Półprzewodnikowe źródła światła UV mają również zastosowanie w oczyszczaniu wody, odkażaniu sprzętu i personelu oraz generowaniu białego światła. Istnieje pilna potrzeba opracowania nowych metod dalszej poprawy jakości materiału przy zmniejszonej gęstości dyslokacji i niezamierzonych zanieczyszczeń oraz ulepszonej morfologii powierzchni w bogatych w Al stopach AlGaN, co zwiększyłoby wydajność domieszkowania i wydajność urządzeń.

AlN jest punktem końcowym systemu stopu AlGaN. Pełne zrozumienie systemu stopów AlGaN (w szczególności bogatych w Al stopów AlGaN) nie może być osiągnięte zanim binarny materiał AlN nie zostanie dobrze poznany. Ponadto, AlN jest unikalny ze względu na fakt, że żaden inny półprzewodnik nie posiada tak dużej bezpośredniej przerwy pasmowej, jak również możliwości inżynierii przerwy pasmowej poprzez zastosowanie heterostruktur. Pomimo uznania znaczenia AlN, wiele z jego podstawowych optycznych właściwości emisyjnych nie zostało dobrze poznanych w przeszłości z powodu braku wysokiej jakości materiałów, jak również technicznych trudności związanych z pomiarami optycznymi w głębokim UV (do 200 nm). W ostatnim czasie dokonał się szybki postęp w epitaksjalnym wzroście i zrozumieniu podstawowych właściwości fizycznych, jak również zastosowań epowłok AlN w urządzeniach. Niniejszy rozdział ma na celu dostarczenie krótkiego podsumowania tych ostatnich postępów z naciskiem na podstawowe właściwości optyczne, podstawowe parametry zanieczyszczeń oraz kontrolę przewodności warstw epitaksjalnych AlN i AlGaN o wysokiej zawartości Al.

W sekcji 7.2, omawiamy wzrost epitaksjalny i techniki charakteryzacji w celu identyfikacji wysokiej jakości warstw; takie jak mikroskopia sił atomowych (AFM) do badania morfologii powierzchni i SIMS do badania niezamierzonych zanieczyszczeń, takich jak tlen. W rozdziale 7.3, przedstawiamy ostatnie postępy w zrozumieniu podstawowych właściwości optycznych AlN. Przedstawiona jest szczegółowa struktura pasmowa w pobliżu punktu Γ wurtzitu (WZ) AlN. Unikalna struktura pasmowa AlN, tj. ujemny podział pola krystalicznego, ma głęboki wpływ na właściwości optyczne stopów AlGaN, a w szczególności bogatych w Al stopów AlGaN. Jedną z bezpośrednich konsekwencji jest to, że dominująca emisja krawędzi pasmowej w GaN (AlN) jest z polaryzacją E ⊥ c (E||c). W związku z tym, intensywność emisji w stopach Al- bogatych w AlxGa1-xN maleje wraz ze wzrostem x dla epowłok hodowanych na szafirze w płaszczyźnie c. Dynamika rekombinacji przejść związanych ekscytonów (I2) i wolnych ekscytonów (FX) w epowłokach AlN została zbadana za pomocą czasowo rozdzielczej fotoluminescencji (PL) w głębokim UV. Stwierdzono, że czasy życia rozpadu PL wynoszą około 80 ps dla związanego ekscytonu i 50 ps dla wolnego ekscytonu w temperaturze 10 K w epilayerach AlN, które są nieco krótsze niż w GaN. Jest to bezpośrednią konsekwencją dużej energetycznej przerwy pasmowej AlN. Ekstrapolowane czasy życia rozpadów promieniotwórczych w epowłokach AlN rosną z temperaturą zgodnie z T3/2 pomiędzy 100 a 200 K i są zależne od dysocjacji wolnego ekscytonu w temperaturach powyżej 200 K, zgodnie z tą samą tendencją jak w GaN. Z niskotemperaturowych (10 K) widm emisyjnych, temperaturowej zależności czasu trwania rekombinacji oraz energii aktywacji intensywności emisji PL wywnioskowano, że energie wiązania ekscytonów związanych z donorem i wolnych ekscytonów w AlN wynoszą odpowiednio około 16 i 80 meV. Zaobserwowana duża energia wiązania wolnych ekscytonów sugeruje, że ekscytony w AlN są niezwykle wytrzymałymi jednostkami, które mogą przetrwać znacznie powyżej temperatury pokojowej. Zbadano przejścia nieczystości z udziałem wakansów azotu generowanych podczas implantacji jonowej oraz wakansów i/lub kompleksów Al w warstwach napalonych. Wyniki wskazują, że kompleksy VAl i/lub VAl-ON są głębokimi akceptorami o poziomie energetycznym 2.59 eV powyżej pasma walencyjnego AlN, co jest bezpośrednio skorelowane z obniżoną przewodnością w bogatych w Al Al AlGaN i AlN, a tym samym jest szkodliwe dla urządzeń optoelektronicznych wykorzystujących epilary AlN i AlGaN. Doświadczalnie wyznaczony poziom energii wakansu azotu wynosi około 260 meV. W konsekwencji dużej energii aktywacji (0.26 eV), jak również wysokiej energii tworzenia, VN w AlN nie może znacząco przyczynić się do przewodnictwa typu n.

Dzięki ostatnim postępom w rozwoju epitaksjalnym, uzyskano przewodzące stopy typu n Al-rich AlxGa1-xN z wysoką zawartością Al (x ≥ 0.7). Rozdział 7.4 podsumowuje ostatnie postępy w kontroli przewodnictwa stopów AlGaN o wysokiej zawartości Al i AlN oraz zrozumienie parametrów zanieczyszczeń w tych materiałach. Dla stopów Al0,7Ga0,3N uzyskano rezystywność typu n w temperaturze pokojowej na poziomie 0,0075 Ω cm przy koncentracji elektronów 3,3 × 1019 cm-3 i ruchliwości 25 cm2/V s. Zaobserwowano, że rezystywność wzrasta o prawie jeden rząd wielkości wraz ze wzrostem zawartości Al o około 8%, co jest spowodowane pogłębianiem się poziomu donorowego Si wraz ze wzrostem x. Pomiary transportowe wykazały, że możliwe jest uzyskanie przewodnictwa typu n w czystym AlN. Stwierdzono, że dla obniżenia energii aktywacji donora i uzyskania wyższych przewodności w bogatych w Al stopach AlGaN konieczne jest silne domieszkowanie. Dokonano również pomiarów energii jonizacji akceptora Mg w stopach AlxGa1-xN w funkcji x, na podstawie których wyznaczono energię wiązania 0,51 eV dla akceptora Mg w AlN. Chociaż akceptory Mg są efektywnym stanem masowym w tym półprzewodniku o bardzo dużej przerwie pasmowej, to w konsekwencji tak dużej energii wiązania akceptora wynoszącej 0.51 eV, tylko bardzo niewielka część (około 10-9) domieszek Mg może być aktywowana w temperaturze pokojowej w AlN domieszkowanym Mg, co sugeruje, że niezwykle trudno jest uzyskać AlN typu p poprzez domieszkowanie Mg.

W rozdziale 7.5 omówiono zastosowania warstw epitaksjalnych AlN. Obejmują one umieszczanie epowłok AlN w emiterach UV i głębokiego UV, służących jako warstwy aktywne lub filtry dyslokacyjne. Ponieważ wysokiej jakości epowłoka AlN jest przezroczysta dla promieniowania UV aż do 200 nm i może być hodowana z doskonałą morfologią powierzchni w stosunku do stopu AlGaN, jest ona idealnym szablonem dla późniejszego wzrostu struktur urządzeń fotonicznych UV. Omówiono również zastosowania epowłok AlN w innych typach urządzeń aktywnych, takich jak urządzenia wykorzystujące powierzchniowe fale akustyczne (SAW) i urządzenia emitujące elektrony.

W rozdziale 7.6 przedstawiamy uwagi końcowe, skupiając się na perspektywach na przyszłość i pozostałych wyzwaniach.