[pic]
Рисунок 1.1.2. Квадрат коэффициента поглощения от энергии фотонов при 5 К
(кривая 2) и 300 К (кривая 1) у края собственного поглощения AlN [2].
[pic]
Рисунок 1.1.3. Интенсивность синей люминесценции (кривые a и b) и
интенсивность отражения (кривая c) от энергии фотонов при 300 К [1].
Cпектр возбуждения стационарной люминесценции (рис. 3.4.3.) имеет
комплексную структуру в области от 4 до 22 эВ. Поляризация в данных
измерениях не учитывалась. Пик в области 4.5 эВ обусловлен прямым
возбуждением примесных центров, пик в области 4.7 эВ — началом прямых
межзонных переходов. Вид кривой возбуждения в области 8 — 22 эВ
коррелирует с кривой отражения (рис 3.4.3., кривая с): максимум кривой
фотовозбуждения соответствует минимуму отражения. Это подтверждает
предположение, что квантовая эффективность определяется потерями на
отражение и поверхностную безызлучательную рекомбинацию. При энергиях
значительно больших чем ширина запрещенной зоны, в районе от 28 до 30 эВ,
сильное возрастание интенсивности люминесценции объясняется началом
фононного умножения. Спектр люминесценции порошкообразного AlN имеет такой
же характер.
Существование на кривой отражения пиков в областях [pic] эВ и [pic]
эВ, группы пиков в области от 10 до 16 эВ с максимумом при 13.8 эВ, и в
области 17.5 эВ обусловлено межзонными переходами. Существующие на данный
момент результаты расчетов электронной структуры не дают пока ясных и
недвусмысленных данных. Общий вид кривой отражения имеет характер, сходный
с кривыми отражения других полупроводниковых материалов типа A3B5 в области
переходов из валентной зоны в зону проводимости.
В более поздних исследованиях пленки AlN были исследованы более
подробно. В работе [7] приводятся сравнительные данные оптических свойств
пленок, кристаллов и порошкообразных фаз нитрида алюминия.
Эпитаксиальные пленки AlN были получены на сапфировой
подложке. Ориентация образцов — [pic]. Скорость роста пленки из газовой
фазы — около 2 ангстрем/с. Кристаллическая структура была определена с
помощью рентгеновского спектрометра и метода дифракции отраженных
электронов. Ось с в AlN отклонена на 280 и лежит в плоскости,
перпендикулярной оси с/ сапфира как показано на рис. 1.1.5.
В качестве источника излучения использовалась дейтериевая лампа с
окном из MgF2. Монохроматическое излучение было получено с помощью
спектрометра Сея-Намиока. Разрешение — 2 ангстрема. Свет поляризовался
вогнутым стеклянным зеркалом с углом Брюстера 600 , расположенным перед
монохроматором. Степень поляризации -- не менее 0.93 во всем энергетическом
диапазоне эксперимента.
На рис. 1.1.5. показан спектр поглощения около края при комнатной
температуре и температуре жидкого азота. Шкала оси ординат представляет
собой единицы оптической плотности, определяемые как OD=log(I0/I), где Io и
I — интенсивности падающего и прошедшего через образец света. Кривая
поглощения растет до 6 эВ и имеет площадку при 6.2 эВ, что представляет
собой “насыщение” интенсивности поглощения при росте энергии до 6.3. эВ.
Интенсивность поглощения продолжает расти с ростом энергии падающего
излучения. Коэффициент поглощения при 6.2 эВ равен примерно 105 см-1,
поскольку толщина пленки составляла 800 ангстрем. При низких температурах
поглощение сдвигается в область высоких энергий примерно на 0.03 эВ.
Величина коэффициента поглощения и характер кривой спектра заставляют
думать, что прямой зазор в AlN составляет 6 эВ. Более точное значение
запрещенной зоны непросто определить из рис. 1.1.6, поскольку спектр широк
даже при низких температурах. Однако, следует заметить, что “площадка” при
6.2. эВ может появляться из-за образования свободных экситонов,
ассоциированных с прямым энергетическим зазором, и при условии, что
экситонный пик широк.
Спектр поглощения в поляризованном свете приведен на рис. 1.1.7.
Поскольку ось с в AlN наклонена по отношению к нормали к поверхности на
280, один из спектров был получен при поляризации света перпендикулярно оси
а, а другой — параллельно.
[pic]
Рисунок 1.1.5. Спектры отражения эпитаксиальных пленок AlN, кристаллов и
спрессованного и порошкообразного нитрида алюминия [7].
[pic]
Рисунок 1.3.6. Спектр поглощения AlN в поляризованном свете [7].
[pic]
Рисунок 1.1.7. Спектр поглощения пленки AlN при комнатной температуре и
температуре 5К [7].
1.2. Зонная структура AlN.
Данная зонная структура AlN была приведена в работе [3].
Параметры решетки, использовавшиеся для расчета зонной структуры AlN
следующие: a=3.111 A, c/a=1.6, u=0.385. Фурье- коэффициенты потенциала для
векторов обратной решетки, q, большие чем [pic], принимались за 0, чтобы
привести матрицу Гамильтониана к приемлемому виду. Энергетическая
зависимость параметров модели игнорировалась, но k-зависимость потенциала
явно учитывалась.
Значения энергетических зазоров в каждой точке зоны Бриллюэна
получаются путем диагонализации матрицы гамильтониана. Это было сделано в
70 точках. Затем, несокращаемые величины были определены с помощью таблиц
Рашба. Корректировка с учетом спин-орбитального взаимодействия не
проводилась, поскольку это величины малы.
Рассчитанные зонные структуры AlN при комнатной температуре показаны
на рисунке 1.2. В таблице 1.2. приведены некоторые наиболее важные
энергетические переходы. Видно, что самый маленький энергетический зазор
прямой и находится в центре зоны Бриллюэна. Символы [pic] и // показывают,
что наиболее сильное поглощение наблюдается при поляризации падающего
излучения перпендикулярно и параллельно оси с соответственно.
[pic]
Рисунок 1.2. Зонная структура AlN, показанная на приведенной ЗБ вюрцита.
1.3. Электрические свойства AlN.
AlN – прямозонный материал с большой шириной запрещенной зоны. В
ранней литературе этот материал считался непрямозонным, что позже не
подтвердилось. Некоторые численные параметры приведены ниже:
Подвижность: [pic] [1] при Т=290 К
Нитрид алюминия является весьма полезным материалом для использования
его при высоких температурах. Он слабо подвержен окислению на воздухе при
температурах выше 6000С, а также устойчив к воздействию кислот,
расплавленных металлов и водяных паров. Таким образом, AlN может
применяться в высокотемпературных полупроводниковых устройствах. В статье
[4] приводятся результаты экспериментов по измерению температурной
зависимости проводимости AlN при высоких температурах. В экспериментах
использовался чистый (>99%) AlN, измерения проводились на постоянном и
переменном токе в атмосфере азота при давлении от 1 до 10-5 атмосферы.
Образцы поликристаллического AlN были получены методом электрического
разряда и спрессованы в графитовом тигле при температуре 16000С в атмосфере
азота.
Зависимость удельной проводимости AlN в широком интервале температур
при давлении азота равном 1 атм., приведена на рисунке 1.3.1. При
температуре ниже 6500С сильное влияние на результаты оказывают примеси и
проводимость на границах зерен.
Таблица 1.3.1. Значения энергий наиболее важных переходов в AlN [3].
|Переход |Энергия (эВ) |
| |Расчетные данные |Экспериментальные данные|
|Г6-Г1 |6.06 |5.88 (поглощение) |
|([pic]) | |6.1 (отражение) |
|Г1-Г1 (//) |5.31 |5.74 (поглощение) |
|Г5-Г3 |9.3 |9.2 (отражение) |
|U3-U3 |8.5 |- |
|U4-U3 |8.9 |- |
|M4-M3 |9.8 |- |
|H3-H3 |10.1 |10.1 (отражение) |
Таблица 1.3.2. Запрещенная зона AlN [5].
|Eg, эВ |Т, К |Примечания |
|6,28 |5 |поглощение эпитаксиальными |
| | |монокристаллами |
|6,2 |300 |поглощение с учетом вклада | | |
| | |экситонных | | |
| | |эффектов вблизи края | | |
| | |поглощения | | |
|6,28 |300 |край экситонного поглощения,| | |
| | |энергия | | |
| | |связи экситона принимается | | |
| | |равной 0.75 эВ | | |
Таблица 1.3.3. Проводимость AlN [6]
|?, Ом-1, |Т,К |Примечания |
|см-1 | | |
|10-3 ... |290 |Примесные кристаллы р-типа (синего |
|10-5 | |цвета) |
|10-11 ... |300 |чистые кристаллы (бесцветные или с |
|10-13 | |оттенком желтого |
Таблица 1.3.4. Энергия активации проводимости AlN [6].
|EA, эВ |Т, К |Примечания |
|0,17 |400 ...|поликристалл, измерения при |
| |700 |постоянном и переменном (1592 Гц) |
| | |токе |
|1,82 |950 ...|чистый монокристалл |
| |1300 | |
|0,5 |менее |чистый монокристалл |
| |300 | |
|1,4 |300 ...| |
| |450 | |
[pic]
Рисунок 1.3.1. Проводимость от обратной температуры для AlN [4].
Поведение примесей в нитриде алюминия в настоящее врем в достаточной
степени не изучено. Все же попытки получить AlN р-типа проводимости с
низким сопротивлением оказались неудачными, что теоретически не является
неожиданным.
Анализ состава слоев проводили с помощью различных методов:
резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия (РОР), рентгеновской
фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), масс-спектрометрии вторичных
электронов (МСВИ), искрового анализа. Наиболее гибкой и достаточно
чувствительной оказалась электронная Оже-спектроскопия (ЭОС), поэтому она
