Estudos de transições electrónicas e vibracionais em filmes finos de InxGa1-xN

Abstract

Os semicondutores baseados no InxGa1-xN são amplamente utilizados em dispositivos emissores de luz num conjunto diverso de novas aplicações tecnológicas. O conhecimento das propriedades físicas deste material tem progredido a um ritmo mais lento do que a tecnologia. No entanto, para que se concebam dispositivos no domínio da optoelectrónica adequados a necessidades específicas, é essencial adquirir um conhecimento profundo sobre a física fundamental deste sistema. O presente trabalho de dissertação teve como objectivo fundamental o estudo das propriedades vibracionais da liga semicondutora de InxGa1-xN, com recurso à técnica de dispersão de Raman. Os filmes de InxGa1-xN que se caracterizaram foram crescidos epitaxialmente, por Deposição Química em Fase de Vapor, utilizando um substrato de GaN/safira. Combinando as diferentes técnicas de caracterização, óptica (espectroscopia Raman, Fotoluminescência e Absorção) e estrutural (Microscopia Electrónica de Varrimento, Espectrometria de Dispersão de Rutherford e Difracção de Raios X), foi possível separar, com sucesso, os efeitos da tensão e da composição na frequência do fonão A1(LO) do InxGa1-xN. Consequentemente, foram determinados os respectivos potenciais de deformação e estabeleceu-se a dependência da frequência do fonão A1(LO) em função da composição da liga. O processo de relaxação da rede do InxGa1-xN, ao longo da direcção de crescimento, foi investigado, num conjunto de amostras sujeitas a um desbaste químico controlado, com recurso à espectroscopia Raman. Este estudo permitiu consolidar toda a interpretação dos resultados experimentais relativos à frequência e à forma espectral do fonão A1(LO). Paralelamente ao estudo da dinâmica de rede, e em resultado deste ter implicado a identificação das energias de absorção e de emissão associadas a transições electrónicas, foi identificada e caracterizada a emissão a 1.88 eV observada numa amostra de do InxGa1-xN parcialmente relaxada. Finalmente foi realizado um estudo, com vista a avaliar a receptividade da matriz de InxGa1-xN à introdução, por implantação iónica, de iões de terrasraras, em particular o Er3+. Em consequência foi investigada a luminescência a ~1.5 μm, associada à transição intraiónica do estado excitado (4I13/2 ) para o estado fundamental (4I15/2). Os resultados mostraram que a incorporação de iões na rede de InxGa1-xN por implantação iónica não é o método mais adequado.

Semiconductors based on InxGa1-xN are widely used in light emitting devices, in a novel array of technological applications. The knowledge of the fundamental physical properties of this material has been progressing at a slower rate than the fast paced technological development. However, in order to develop devices tailored to specific needs, a deep knowledge of the physics of this system is mandatory. The main purpose of the research work was the study of the vibrational properties of the semiconductor alloy of InxGa1-xN, through the use of Raman dispersion technique. The InxGa1-xN films that were characterized were epitaxially grown by chemical vapour deposition, over a GaN/sapphire subtract. Through the combined use of different characterization techniques, optical (Raman spectroscopy, Photoluminescence and Absorption) and structural (Scanning Electron Microscopy, Rutherford Backscattering Spectrometry and X-Ray Diffraction), it was possible to successfully separate the effects of strain and composition on the frequency of the InxGa1-xN A1 (LO) phonon. Consequently, the deformation potentials, concerning the A1 (LO) phonon, were determined, and the phonon frequency dependency on the alloy composition was established. The relaxation process of the InxGa1-xN lattice, along the growth direction, was studied by the use of Raman spectroscopy on a set of samples that had suffered a chemically controlled etching. This study enabled to consolidate the interpretation of all the experimental results concerning the frequency and spectral shape of A1 (LO) phonon. Apart of the study of lattice dynamics, and since this study required that absorption and emission energies related to electronic transitions were identified, the emission at 1.88 eV, on a partially relaxed sample, was observed and characterized. Finally, a study was developed aiming to evaluate the receptivity, of the InxGa1-xN matrix, to the incorporation, by means of ionic implantation, of rareearth ions, in particular of Er3+. Therefore, luminescence at ~1.5 μm, linked to the intraionic transition of excited state (4I13/2 ) to fundamental state ( 4I15/2), was also studied. Results have shown that ion incorporation by an implantation process is not the most suitable for InxGa1-xN lattice.