Фотоэлектрические свойства нитрида алюминия (стр. 2 из 10)

Исследованные в данной работе кристаллы AlN были получены с помощью прямой реакции паров Al и N при температуре 1850 ⁰С. Поскольку кристаллы AlN имеют форму тонких гексагональных призм с толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен мкм, они должны быть ориентированы параллельно друг другу для более точного измерения спектров возбуждения и отражения. Спектр возбуждения люминесценции был также измерен на образцах, полученных осаждением порошкообразного AlN. Все эксперименты проводились при комнатной температуре.

Рисунок 1.1.1. Зависимость оптической плотности от энергии фотонов для образца AlN толщиной 0.4 мкм при 5 К [2]

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].

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

эВ и

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 —

. 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.

Рисунок 1.1.5. Спектры отражения эпитаксиальных пленок AlN, кристаллов и спрессованного и порошкообразного нитрида алюминия [7].

Рисунок 1.3.6. Спектр поглощения AlN в поляризованном свете [7].

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

, 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

и // показывают, что наиболее сильное поглощение наблюдается при поляризации падающего излучения перпендикулярно и параллельно оси с соответственно.

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:

[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) 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].