7.1 INTRODUÇÃO

III-nitride wide bandgap semiconductors have been widely recognised as technologically important materials. Os dispositivos fotônicos baseados em III-nitrides oferecem muitos benefícios incluindo emissão UV/azul/verde (permitindo a detecção de quimioagentes e maior densidade de armazenamento óptico), compensações de banda larga de heteroestruturas InN/GaN/AlN (permitindo um novo design de dispositivo de poço quântico), e eficiências de emissão inerentemente altas. Estas características únicas podem permitir a criação de dispositivos optoeletrônicos e fotônicos com propriedades e funções sem precedentes. As atividades de pesquisa em AlxGa1-xN (3.4 < Eg < 6.2 eV) com frações molares de AlN elevadas e dispositivos que operam nas regiões espectrais ultravioletas (UV) ainda estão no seu estado embrionário. Atingir a qualidade do dispositivo Al-rich AlGaN com altas condutividades e alta eficiência quântica permanece como um dos maiores desafios para a comunidade de nitreto.

AlN e ligas de Al-rich AlGaN, cobrindo comprimentos de onda de 300 a 200 nm, são materiais ideais para o desenvolvimento de fontes/sensores de luz UV em escala de chip, pois AlGaN é o único sistema de semicondutores com banda ultralarga em que a banda pode ser facilmente projetada através do uso de design de ligas e heteroestrutura. Fontes/sensores de luz UV em estado sólido eficientes são cruciais em muitos campos de pesquisa e desenvolvimento. Por exemplo, a fluorescência de proteínas é geralmente excitada pela luz UV; o monitoramento de mudanças de fluorescência intrínseca em uma proteína pode fornecer informações importantes sobre suas mudanças estruturais. Assim, espera-se que a disponibilidade de fontes de luz UV à escala do chip abra novas oportunidades para a investigação médica e cuidados de saúde. As fontes de luz UV em estado sólido também têm aplicações na purificação da água, descontaminação de equipamentos/pessoas e geração de luz branca. Há uma necessidade urgente de desenvolver novas abordagens para melhorar ainda mais a qualidade do material com densidade de deslocamento reduzida e impurezas não intencionais e morfologias de superfície melhoradas nas ligas AlGaN, o que melhoraria a eficiência de dopagem e o desempenho do dispositivo.

AlN é um ponto final do sistema de liga AlGaN. Um entendimento completo do sistema de ligas AlGaN (particularmente ligas AlGaN enriquecidas) não poderia ser alcançado antes que o material binário AlN fosse bem compreendido. Além disso, o AlN é único devido ao fato de que nenhum outro semicondutor possui um bandgap direto tão grande, assim como a capacidade de engenharia de bandgap através do uso de heteroestruturas. Apesar do reconhecimento da importância do AlN, muitas das suas propriedades fundamentais de emissão óptica não são bem conhecidas no passado devido à falta de materiais de alta qualidade, bem como às dificuldades técnicas envolvidas nas medições ópticas de UV profundo (até 200 nm). Recentemente, foram feitos rápidos progressos no crescimento epitaxial e na compreensão das propriedades físicas básicas, bem como nas aplicações dos dispositivos de epilayers AlN. Este capítulo visa fornecer um breve resumo desses avanços recentes com ênfase nas propriedades ópticas fundamentais, parâmetros básicos de impureza e controle de condutividade de filmes epitaxiais de AlN e AlGaN com alto conteúdo de Al.

Na seção 7.2, discutimos técnicas de crescimento epitaxial e caracterização para identificar filmes de alta qualidade; como a microscopia de força atômica (AFM) para estudo da morfologia da superfície e SIMS para sondagem de impurezas não intencionais, como o oxigênio. Na seção 7.3, apresentamos avanços recentes na compreensão das propriedades ópticas fundamentais do AlN. É apresentada a estrutura detalhada da banda próxima ao ponto Γ de wurtzite (WZ) AlN. A estrutura de banda única do AlN, ou seja, a divisão negativa do campo cristalino, afeta profundamente as propriedades ópticas das ligas AlGaN, em particular das ligas AlGaN ricas em AlGaN. Uma das consequências imediatas é que a emissão de banda dominante no GaN (AlN) é com polarização de E ⊥ c (E||c). Assim, a intensidade da emissão em ligas de Al-rich AlxGa1-xN diminui com o aumento de x para as epilayers cultivadas na safira do plano c. A dinâmica de recombinação do exciton ligado (I2) e do exciton livre (FX) nas epilayers de AlN foram sondadas por fotoluminescência UV profunda (PL). Os tempos de decaimento da PL foram encontrados em torno de 80 ps para o exciton ligado e 50 ps para o exciton livre a 10 K em depiladoras AlN, que são ligeiramente mais curtos do que aqueles em GaN. Esta é uma consequência directa do grande diferencial de energia do AlN. Os tempos de decaimento radiativo extrapolados nas depiladoras AlN aumentam com a temperatura de acordo com T3/2 entre 100 e 200 K e são afetados pela dissociação do exciton livre a temperaturas acima de 200 K, seguindo a mesma tendência que no GaN. Dos espectros de emissão a baixa temperatura (10 K), da dependência da temperatura da vida útil da recombinação e da energia de activação da intensidade de emissão PL, deduziu-se que as energias de ligação dos excitões ligados ao doador e dos excitões livres em AlN rondam os 16 e 80 meV, respectivamente. A grande energia de ligação do excitão livre observada implica que os excitões em AlN são entidades extremamente robustas que sobreviveriam bem acima da temperatura ambiente. Foram estudadas transições de impurezas envolvendo vacâncias de nitrogênio geradas durante a implantação de íons e vacâncias de Al e/ou complexos em camadas já cultivadas. Os resultados indicam que os complexos VAl e/ou VAl-ON são aceitadores profundos com um nível de energia de 2,59 eV acima da banda de valência do AlN, que está diretamente correlacionado com as condutividades reduzidas em AlGaN e AlN rico e é, portanto, prejudicial aos dispositivos optoeletrônicos que usam epilayers de AlN e AlGaN. O nível de energia de vacância de nitrogênio determinado experimentalmente é de cerca de 260 meV. Como consequência da grande energia de ativação (0,26 eV) bem como da alta energia de formação, o VN em AlN não pode contribuir significativamente para a condutividade do tipo n.

Com os recentes avanços no crescimento epitaxial, foram obtidas ligas condutivas do tipo n de AlxGa1-xN com alto conteúdo de Al (x ≥ 0,7). A seção 7.4 resume os recentes avanços no controle da condutividade das ligas de AlGaN de alto teor de Al e AlN e o entendimento dos parâmetros de impureza nestes materiais. Foi obtida uma resistividade tipo n de temperatura ambiente tão baixa quanto 0,0075 Ω cm com uma concentração de elétrons de 3,3 × 1019 cm-3 e mobilidade de 25 cm2/V s para Al0,7Ga0,3N. A resistividade foi observada a aumentar em quase uma ordem de grandeza, pois o conteúdo de Al foi aumentado em cerca de 8%, devido ao aprofundamento do nível de Si doador com aumento de x. As medidas de transporte indicaram que a condução do tipo n em AlN puro pode ser alcançada. Descobriu-se que o doping pesado é necessário para diminuir a energia de ativação do doador e alcançar maiores condutividades em ligas de AlGaN puro. Também foi medida a energia de ionização de Mg aceitador em ligas AlxGa1-xN em função de x, a partir da qual foi determinada uma energia de ligação de 0,51 eV para Mg aceitador em AlN. Embora os aceitadores de Mg sejam um estado de massa eficaz neste semicondutor de banda ultralarga, como consequência desta grande energia de ligação do aceitador de 0,51 eV, apenas uma fração muito pequena (cerca de 10-9) de Mg dopantes pode ser ativada à temperatura ambiente em Mg-doped AlN, implicando que é extremamente difícil conseguir AlN tipo p por Mg doping.

Secção 7.5 discute as aplicações das camadas epitaxiais de AlN. Estas incluem a inserção de camadas epitaxiais de AlN em emissores UV e UV profundos, servindo como camadas ativas ou filtros de deslocamento. Como uma epilayer AlN de alta qualidade é transparente até 200 nm e pode ser cultivada com morfologia superficial superior sobre uma liga AlGaN, ela é um modelo ideal para o subsequente crescimento da estrutura do dispositivo fotônico UV. Aplicações de epilayers de AlN para outros tipos de aplicações de dispositivos ativos, como para dispositivos de ondas acústicas superficiais (SAW) e de emissão de elétrons também são discutidas.

Na seção 7.6, apresentamos observações finais com foco em perspectivas futuras e desafios remanescentes.