Caracterização e modificação de heteroestruturas de nitretos do grupo III

Abstract

Os nitretos binários semicondutores do grupo III, e respetivos compostos, são vastamente estudados devido à sua possível aplicabilidade em dispositivos optoeletrónicos, tais como díodos emissores de luz (LEDs) e LASERs, assim como dispositivos para a eletrónica de elevadas temperatura, potência e frequência. Enquanto se concretizou a comercialização na última década de LEDs e LASERs recorrendo ao ternário In1-yGayN, estudos das propriedades fundamentais estruturais e óticas, assim como de técnicas de processamento no desenvolvimento de novas aplicações de outros ternários do grupo III-N encontram-se na sua fase inicial. Esta tese apresenta a investigação experimental de filmes finos epitaxiais de Al1-xInxN crescidos sobre camadas tampão de GaN e de Al1-yGayN e o estudo do recozimento e implantação de super-redes (SL) compostas por pontos quânticos de GaN (QD) envolvidos por camadas de AlN. Apesar do hiato energético do Al1-xInxN poder variar entre os 0,7 eV e os 6,2 eV e, por isso, numa gama, consideravelmente superior à dos ternários Al1-yGayN e InyGa1-yN, o primeiro é o menos estudado devido a dificuldades no crescimento de filmes com elevada qualidade cristalina. É efetuada, nesta tese, uma caracterização estrutural e composicional de filmes finos de Al1-xInxN crescidos sobre camadas tampão de GaN e de Al1-yGayN usando técnicas de raios-X, feixe de iões e de microscopia. Mostra-se que o Al1-xInxN pode ser crescido com elevada qualidade cristalina quando a epitaxia do crescimento se aproxima da condição de rede combinada do Al1-xInxN e da camada tampão (GaN ou Al1-yGayN), isto é, com conteúdo de InN de ~18%, quando crescido sobre uma camada de GaN. Quando o conteúdo de InN é inferior/superior à condição de rede combinada, fenómenos de relaxação de tensão e deterioração do cristal tais como o aumento da rugosidade de superfície prejudicam a qualidade cristalina do filme de Al1-xInxN. Observou-se que a qualidade dos filmes de Al1-xInxN depende fortemente da qualidade cristalina da camada tampão e, em particular, da sua morfologia e densidade de deslocações. Verificou-se que, dentro da exatidão experimental, os parâmetros de rede do ternário seguem a lei empírica de Vegard, ou seja, variam linearmente com o conteúdo de InN. Contudo, em algumas amostras, a composição determinada via espetrometria de retrodispersão de Rutherford e difração e raios-X mostra valores discrepantes. Esta discrepância pode ser atribuída a defeitos ou impurezas capazes de alterar os parâmetros de rede do ternário. No que diz respeito às SL dos QD e camadas de AlN, estudos de recozimento mostraram elevada estabilidade térmica dos QD de GaN quando estes se encontram inseridos numa matriz de AlN. Por implantação iónica, incorporou-se európio nestas estruturas e, promoveu-se a ativação ótica dos iões de Eu3+ através de tratamentos térmicos. Foram investigados os efeitos da intermistura e da relaxação da tensão ocorridos durante o recozimento e implantação nas propriedades estruturais e óticas. Verificou-se que para fluências elevadas os defeitos gerados por implantação são de difícil remoção. Contudo, a implantação com baixa fluência de Eu, seguida de tratamento térmico, promove uma elevada eficiência e estabilidade térmica da emissão vermelha do ião lantanídeo incorporado nos QD de GaN. Estes resultados são, particularmente relevantes, pois, na região espetral indicada, a eficiência quântica dos LEDs convencionais de InGaN é baixa.

Group-III nitride semiconductors, AlN, GaN, InN and their alloys, are widely studied due to their applications in optoelectronic devices, such as light emitting diodes (LEDs) and lasers, as well as high temperature, high power and high frequency electronics. While the InGaN-based blue LED and laser were successfully commercialized during the last decade, other III-N alloys and structures are still in an early stage of investigation and fundamental knowledge on structural and optical properties as well as on processing techniques is essential for the development of novel applications. This thesis presents an experimental investigation of epitaxial Al1-xInxN films grown on GaN and Al1-yGayN buffer layers as well as annealing and implantation studies of GaN quantum dot (QD) /AlN spacer layer superlattices (SL). Although AlInN allows band gap engineering from 0.7 eV to 6.2 eV, a considerably wider range than for Al1-yGayN and InyGa1-yN compounds, it is the least studied of all III-N ternaries due to the difficulties in growing high quality layers. In this thesis an exhaustive structural and compositional characterization of AlInN thin films grown on GaN and AlGaN buffer layers is presented using X-ray and ion beam techniques as well as microscopy. It is shown that AlInN can be grown with high crystal quality when epitaxy is performed close to the lattice-match conditions with the buffer layer (i.e. with x close to ~18% for growth on GaN) while strain relaxation and deterioration of crystal quality sets in for layers grown with higher or lower InN contents. It was found that the AlInN film quality depends critically on the quality of the buffer layer, in particular its morphology and density of threading dislocation. Within the experimental accuracy and in the studied compositional range, the lattice parameters of the ternary were shown to follow Vegard’s rule (i.e. they vary linearly with the InN content). However, in some samples the compositions determined by Rutherford Backscattering Spectrometry and X-ray diffraction show discrepancies. This fact, which was interpreted as an indication for a deviation from Vegard’s rule in early publication, is attributed to defects or impurities which alter the lattice parameters of the alloy. In the case of GaN QD/AlN SL, annealing studies showed the high thermal stability of the GaN QDs when inserted into an AlN matrix. Europium was incorporated into these structures by ion implantation and thermal annealing promoted the optical activation of the Eu3+ ions. The effects of intermixing and strain relaxation during annealing and implantation on optical and structural properties of the SL were investigated. Although implantation defects are difficult to remove for high fluences, low fluence implantation yielded effective and temperature stable red emission from Eu incorporated in GaN QDs. These results are particularly important in view of the low quantum efficiency of conventional InGaN LEDs emitting in this spectral region.