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].
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]
s, Ом-1, см-1
Т,К
Примечания
10-3 ... 10-5
290
Примесные кристаллы р-типа (синего цвета)
10-11 ... 10-13
300
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
