7.1 INTRODUCERE

Semiconductorii cu bandă largă de nitrură III au fost recunoscuți pe scară largă ca materiale importante din punct de vedere tehnologic. Dispozitivele fotonice bazate pe III-nitruri oferă multe avantaje, inclusiv emisia în UV/albastru/verde (permițând detectarea agenților chimici-bio-agenți și o densitate mai mare de stocare optică), decalajele mari de bandă ale heterostructurilor InN/GaN/AlN (permițând proiectarea de dispozitive noi de tip puț cuantic) și eficiențe de emisie inerent ridicate. Aceste caracteristici unice pot permite crearea de dispozitive optoelectronice și fotonice cu proprietăți și funcții fără precedent. Activitățile de cercetare privind AlxGa1-xN (3,4 < Eg < 6,2 eV) cu fracții molare mari de AlN și dispozitive care funcționează în regiunile spectrale ultraviolete (UV) sunt încă în stare embrionară. Obținerea unui AlGaN bogat în AlGaN de calitate pentru dispozitive, cu conductivități ridicate și randamente cuantice ridicate, rămâne una dintre cele mai importante provocări pentru comunitatea nitrurilor.

AlN și aliajele AlGaN bogate în AlGaN, care acoperă lungimi de undă de la 300 la 200 nm, sunt materiale ideale pentru dezvoltarea de surse/senzori de lumină UV la scară de cip, deoarece AlGaN este singurul sistem semiconductor cu bandă interzisă ultra largă în care banda interzisă poate fi ușor modificată prin utilizarea aliajelor și proiectarea heterostructurilor. Sursele/senzorii eficienți de lumină UV în stare solidă sunt esențiale în multe domenii de cercetare și dezvoltare. De exemplu, fluorescența proteinelor este, în general, excitată de lumina UV; monitorizarea modificărilor fluorescenței intrinseci într-o proteină poate furniza informații importante despre modificările structurale ale acesteia. Astfel, se așteaptă ca disponibilitatea surselor de lumină UV la scară de cip să deschidă noi oportunități pentru cercetarea medicală și îngrijirea sănătății. Sursele de lumină UV în stare solidă au, de asemenea, aplicații în purificarea apei, decontaminarea echipamentelor/persoanelor și generarea de lumină albă . Există o nevoie urgentă de a dezvolta noi abordări pentru a îmbunătăți în continuare calitatea materialului cu o densitate redusă a dislocațiilor și a impurităților neintenționate și cu morfologii de suprafață îmbunătățite în aliajele AlGaN bogate în AlGaN, ceea ce ar spori eficiența dopajului și performanța dispozitivului.

AlN este un punct final al sistemului de aliaje AlGaN. O înțelegere completă a sistemului de aliaje AlGaN (în special a aliajelor AlGaN bogate în AlGaN) nu ar putea fi realizată înainte ca materialul binar AlN să fie bine înțeles. În plus, AlN este unic datorită faptului că niciun alt semiconductor nu posedă o bandă interzisă directă atât de mare, precum și capacitatea de inginerie a benzii interzise prin utilizarea de heterostructuri. În ciuda recunoașterii importanței AlN, multe dintre proprietățile sale fundamentale de emisie optică nu sunt bine cunoscute în trecut din cauza lipsei de materiale de înaltă calitate, precum și a dificultăților tehnice implicate pentru măsurătorile optice în UV profund (până la 200 nm). Recent, s-au înregistrat progrese rapide în ceea ce privește creșterea epitaxială și înțelegerea proprietăților fizice de bază, precum și aplicațiile pentru dispozitive ale epilamintelor de AlN. Acest capitol își propune să ofere un scurt rezumat al acestor progrese recente, punând accentul pe proprietățile optice fundamentale, parametrii de bază ai impurităților și controlul conductivității filmelor epitaxiale de AlN și AlGaN cu conținut ridicat de Al.

În secțiunea 7.2, discutăm despre creșterea epitaxială și tehnicile de caracterizare pentru identificarea filmelor de înaltă calitate; cum ar fi microscopia cu forță atomică (AFM) pentru studierea morfologiei de suprafață și SIMS pentru sondarea impurităților neintenționate, cum ar fi oxigenul. În secțiunea 7.3, prezentăm progresele recente în înțelegerea proprietăților optice fundamentale ale AlN. Este prezentată structura detaliată a benzii din apropierea punctului Γ a AlN wurtzite (WZ). Structura unică a benzii de AlN, și anume divizarea negativă a câmpului cristalin, afectează profund proprietățile optice ale aliajelor AlGaN, în special ale aliajelor AlGaN bogate în AlGaN. Una dintre consecințele imediate este faptul că emisia dominantă de margine de bandă în GaN (AlN) este cu polarizare de E ⊥ c (E||c). În consecință, intensitatea emisiei în aliajele AlxGa1-xN bogate în Al scade odată cu creșterea lui x pentru straturile epilare crescute pe safirul din planul c. Dinamica recombinării tranzițiilor excitonilor legați (I2) și a excitonilor liberi (FX) în epilayerele de AlN au fost sondate prin fotoluminescență (PL) cu rezoluție în timp în UV profundă. S-a constatat că timpii de viață de dezintegrare PL sunt de aproximativ 80 ps pentru excitonul legat și de 50 ps pentru excitonul liber la 10 K în epilapacele de AlN, care sunt ușor mai scurți decât cei din GaN. Aceasta este o consecință directă a benzii interzise energetice mari a AlN. Duratele de viață de dezintegrare radiativă extrapolate în epilarele de AlN cresc cu temperatura în funcție de T3/2 între 100 și 200 K și sunt afectate de disocierea excitonului liber la temperaturi de peste 200 K, urmând aceeași tendință ca și în GaN. Din spectrele de emisie la temperaturi joase (10 K), din dependența de temperatură a duratei de viață de recombinare și din energia de activare a intensității de emisie PL, s-a dedus că energiile de legătură ale excitonilor legați de donator și ale excitonilor liberi în AlN sunt de aproximativ 16 și, respectiv, 80 meV. Energia mare de legare a excitonilor liberi observată implică faptul că excitonii din AlN sunt entități extrem de robuste care ar supraviețui cu mult peste temperatura camerei. Au fost studiate tranzițiile de impurități care implică vacanțe de azot generate în timpul implantării ionice și vacanțe și/sau complecși de Al în straturile de aluminiu în stare naturală. Rezultatele indică faptul că complecșii VAl și/sau VAl-ON sunt acceptori profunzi cu un nivel energetic de 2,59 eV deasupra benzii de valență a AlN, care este direct corelat cu conductivitățile reduse în AlGaN și AlN bogat în Al și AlN și, prin urmare, este în detrimentul dispozitivelor optoelectronice care utilizează epilayere AlN și AlGaN. Nivelul energetic al vacantei de azot determinat experimental este de aproximativ 260 meV. Ca o consecință a energiei mari de activare (0,26 eV), precum și a energiei mari de formare, VN în AlN nu poate contribui în mod semnificativ la conductivitatea de tip n.

Cu ajutorul progreselor recente în creșterea epitaxială, au fost obținute aliaje AlxGa1-xN bogate în AlxGa1-xN conductoare de tip n cu conținut ridicat de Al (x ≥ 0,7). Secțiunea 7.4 rezumă progresele recente în ceea ce privește controlul conductivității aliajelor AlGaN cu conținuturi ridicate de Al și AlN și înțelegerea parametrilor impurităților din aceste materiale. S-a obținut o rezistivitate de tip n la temperatura camerei de până la 0,0075 Ω cm cu o concentrație de electroni de 3,3 × 1019 cm-3 și o mobilitate de 25 cm2/V s pentru Al0,7Ga0,3N. S-a observat că rezistivitatea crește cu aproape un ordin de mărime pe măsură ce conținutul de Al a crescut cu aproximativ 8%, datorită adâncirii nivelului donor de Si odată cu creșterea x. Măsurătorile de transport au indicat că se poate obține conducția de tip n în AlN pur. S-a constatat că este necesară o dopare puternică pentru a reduce energia de activare a donatorului și pentru a obține conductivități mai mari în aliajele AlGaN bogate în Al. De asemenea, a fost măsurată energia de ionizare a acceptorului de Mg în aliajele AlxGa1-xN în funcție de x, din care s-a determinat o energie de legare de 0,51 eV pentru acceptorul de Mg în AlN. Deși acceptorii de Mg reprezintă o stare de masă efectivă în acest semiconductor cu bandă interzisă foarte mare, ca o consecință a acestei energii de legare mare a acceptorului de 0,51 eV, numai o fracțiune foarte mică (aproximativ 10-9) de dopanți de Mg poate fi activată la temperatura camerei în AlN dopat cu Mg, ceea ce implică faptul că este extrem de dificil să se obțină AlN de tip p prin doparea cu Mg.

Secțiunea 7.5 tratează aplicațiile straturilor epitaxiale de AlN. Acestea includ inserția straturilor epitaxiale de AlN în emițători UV și UV profund, servind ca straturi active sau filtre de dislocații. Deoarece un epilayer AlN de înaltă calitate este transparent la UV până la 200 nm și poate fi crescut cu o morfologie de suprafață superioară față de un aliaj AlGaN, acesta este un șablon ideal pentru creșterea ulterioară a structurii dispozitivelor fotonice UV. Sunt discutate, de asemenea, aplicațiile epilamintelor de AlN pentru alte tipuri de aplicații ale dispozitivelor active, cum ar fi pentru dispozitive cu unde acustice de suprafață (SAW) și dispozitive cu emisie de electroni.

În secțiunea 7.6, prezentăm observații finale cu accent pe perspectivele viitoare și pe provocările rămase.

.