Optical characterization of wide (WBS) and ultrawide (UWBS) bandgap semiconductors

Abstract

With the current growing energy needs arises the need to obtain more efi cient electronic and optoelectronic devices. Ultrawide and wide bandgap semiconductors (UWBS, WBS) are promising materials to meet the requirements of these devices. In this thesis we characterized optically active centres in di erent UWBS and WBS samples, which include epitaxial layers grown by chemical vapour phase deposition (CVD) of β-Ga₂O₃, GaN and 4H-SiC, as well as Bulk diamond. To this end, different optical spectroscopy techniques were used: Raman, transmittance, photoluminescence (PL) and PL excitation (PLE). Raman measurements allowed the determination of the crystalline phase of the semiconductors under analysis and the identification of stress states in the epilayers. The GaN (grown on Al₂O₃) and the 4H-SiC samples evidenced compressive stress effects. For the β-Ga₂O₃ it was not possible to exclude stress effects, but it was not possible to identify the type. The Bulk diamond sample was revealed to be of high crystalline quality. The bandgap energies of the epitaxially grown samples were determined by transmittance. For the identification of the luminescent defects in the samples and the identi- fication of the emitting electronic states, PL and PLE measurements at room temperature were performed. The PL analysis of the samples was complemented with studies at 14 K. In the β-Ga₂O₃ emission bands were observed in the ultraviolet (UVL) and blue (BL) region. In parallel, a red emission was detected due to the presence of the Crᶟ⁺ contaminant in the structure. In the GaN sample, it was possible to identify the presence of recombination of free and bound excitons, and a yellow band (YL1). In 4HSiC, at room temperature, two recombination bands were identified in the blue (BL) and green (GL) donor acceptor pair (DAP). At 14 K N-bounded excitons were observed, which allowed us to assume that the observed BL may be an overlap of different DAP recombinations. In addition to this, an emission band was observed in red (RL) attributed to the spectral overlap of several centres. Two Bulk diamonds (Bulk 1 and 2) were also studied. In the Bulk 1 sample the N3 centre was identified in the spectral region of blue. In Bulk 2 it was possible to identify in the green spectral region the H3 centre and in the red one the NV° defect. In summary, the work carried out allowed us to infer about the structural and optical properties of the UWBS and WBS samples under analysis, to recognize the optically active defects in the samples, some of which assume a relevant role in terms of the conductivity of materials and can condition the response of semiconductors in various electronic and optoelectronic applications.

Com as crescentes necessidades energéticas atuais surge a necessidade de obter dispositivos eletrónicos e optoelectrónicos mais eficientes. Os semicondutores de ultraelevado e elevado hiato energético (UWBS, WBS) são materiais promissores para cumprir com os requisitos destes dispositivos. Nesta tese caracterizaram-se centros oticamente ativos em diferentes amostras de UWBS e WBS, que incluem camadas epitaxias crescidas por deposição química na fase de vapor (CVD) de β-Ga₂O₃, GaN e 4H-SiC, assim como diamante em volume. Para tal, utilizaram-se diferentes técnicas de espetroscopia ótica: Raman, transmitância, fotoluminescência (PL) e excitação da PL (PLE). As medidas de Raman permitiram determinar a fase cristalina dos semicondutores em análise e identificar estados de tensão nas epicamadas. A amostra de GaN (crescida em Al₂O₃) e a homoestrutura de 4H-SiC evidenciaram efeitos de tensão compressiva. Para a homoestrutura de β-Ga₂O₃ verificou-se não ser possível excluir efeitos de tensão, porém não foi possível identificar o tipo. A amostra de diamante em volume revelou ser de elevada qualidade cristalina. As energias de hiato das amostras crescidas por epitaxia foram determinadas por transmitância. Para a identificação dos defeitos luminescentes nas amostras e identificação do povoamento dos estados eletrónicos emissores, realizaram-se medidas de PL e PLE à temperatura ambiente. A análise da PL das amostras foi complementada com estudos a 14 K. No β-Ga₂O₃ observaram-se bandas de emissão no ultravioleta (UVL) e azul (BL). Paralelamente, detetou-se uma emissão vermelha devido à presença do contaminante de Crᶟ⁺ na estrutura. No GaN foi possível identificar, a presença da recombinação de excitões livres e ligados, e uma banda amarela (YL1). No 4H-SiC, à temperatura ambiente, identificaram-se duas bandas de recombinação no azul (BL) e verde (GL) de pares dador aceitador (DAP). A 14 K observaram-se excitões ligados ao N, o que permitiu pressupor que a BL observada possa ser uma sobreposição de diferentes recombinações DAP. Para além desta, foi observada uma banda de emissão no vermelho (RL) atribuída à sobreposição espectral de vários centros. Foram ainda estudados dois diamantes em volume (Bulk 1 e 2). Na amostra Bulk 1 identificou-se na região espectral do azul o centro N3. Na amostra Bulk 2 foi possível identificar na região espectral do verde o centro H3 e na vermelha o defeito NV°. Em suma, o trabalho realizado permitiu inferir quanto às propriedades estruturais e óticas das amostras de UWBS e WBS em análise, reconhecer os defeitos oticamente ativos nas amostras, alguns dos quais assumem um papel de relevo em termos da condutividade dos materiais e podem condicionar a resposta dos semicondutores em várias aplicações eletrónicas e optoelectrónicas.