Impacto da Densidade de Discordâncias de Rosca no Índice de Refração de AlN: Efeitos de Campo de Deformação na Nanoescala

Resumo

O índice de refração do nitreto de alumínio (AlN) influencia criticamente o desempenho de dispositivos optoeletrônicos de ultravioleta profundo (DUV) baseados em AlGaN, incluindo a eficiência quântica externa (EQE) de LEDs. Discordâncias de rosca de alta densidade (TDDs) são um defeito comum em AlN, mas seu efeito quantitativo no índice de refração permanece mal compreendido. Neste estudo, variamos sistematicamente TDDs de 4,24 × 10⁸ a 3,48 × 10⁹ cm⁻² por recocimento pós-crescimento e medimos o índice de refração correspondente usando elipsometria espectroscópica (SE). O índice de refração diminuiu de 2,2508 para 2,2102 a 280 nm conforme TDD aumentou, confirmando que discordâncias reduzem a densidade óptica do AlN. Modelagem teórica do campo de deformação na nanoescala em torno de discordâncias de parafuso e aresta demonstra como a deformação elástica local perturba a resposta fotoelástica, levando a índice de refração variável espacialmente e espalhamento de luz aprimorado. Estes achados fornecem um parâmetro de design crítico para otimizar LEDs DUV, diodos laser e estruturas DBR construídas em substratos de AlN.

Introdução

AlN e suas ligas são os cavalos de batalha da optoeletrônica DUV, oferecendo banda proibida direta ajustável de 3,4 a 6,2 eV. O índice de refração do AlN determina diretamente a eficiência de extração de luz (LEE) através do ângulo de reflexão interna total e também governa a refletividade de refletores de Bragg distribuídos (DBRs). Consequentemente, qualquer fator que desloque o índice de refração pode limitar potência de saída ou desempenho espectral do dispositivo. Embora temperatura, pressão e banda proibida tenham mostrado afetar as constantes ópticas do AlN, o papel das discordâncias de rosca — prevalentes em camadas epitaxiais de AlN — não foi quantificado. Dado TDDs típicos variando de 10⁸ a 10⁹ cm⁻², é imperativo estabelecer sua influência no índice de refração para guiar otimização de crescimento e engenharia de dispositivos.

Métodos

Templates de AlN de alta qualidade foram crescidos em safira-c por deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD) usando precursores trimetilalumínio e amônia sob fluxo de hidrogênio de 40 mbar. Um filme de AlN de 1,1 µm foi fabricado através de crescimento em duas etapas: camada de nucleação a 955 °C seguida por crescimento de alta temperatura a 1280 °C, intercalados com uma intercamada de AlN a 1050 °C. Recocimento pós-crescimento a 1500, 1600, 1700 e 1750 °C por uma hora produziu amostras com TDDs progressivamente menores. Curvas de oscilação de difração de raios X (XRD) (XRCs) mediram planos (0002) e (10-12) para extrair densidades de discordâncias de parafuso e aresta via equações de Hall-Petch modificadas. Elipsometria espectroscópica (SE) forneceu o índice de refração complexo em 200–1000 nm. Espectroscopia Raman avaliou tensão residual rastreando deslocamento do pico AlN E₂(h).

Resultados e Discussão

A Figura 1 ilustra as XRCs (0002) e (10-12) para as cinco amostras. A largura a meia altura (FWHM) do plano (10-12) diminuiu marcadamente da amostra 1 para a amostra 5, resultando em TDDs que abrangem 4,24 × 10⁸ a 3,48 × 10⁹ cm⁻². Ajuste SE, realizado com CompleteEASE usando modelo de semicondutor de banda proibida direta, alcançou erros quadráticos médios abaixo de 11, confirmando constantes ópticas confiáveis.

Curvas de índice de refração mostram a dispersão esperada: aumento com energia de fóton abaixo da banda proibida de 6,2 eV, seguido por diminuição além. A 633 nm, o índice sobe de 2,019 para 2,056 conforme TDD cai, aproximando-se do valor de volume de 2,15. Crucialmente, a 280 nm, o índice cai de 2,2508 para 2,2102 conforme TDD aumenta, ilustrando uma clara relação inversa.

Para racionalizar este comportamento, modelamos o campo de deformação de uma única discordância de parafuso ou aresta usando simetria cilíndrica. Os componentes do tensor de deformação foram mapeados no tensor fotoelástico, resultando na perturbação Δ(1/n²). Cálculos revelam que tanto discordâncias de parafuso quanto de aresta deprimem localmente o índice de refração em cascas concêntricas ao redor do núcleo, criando um meio óptico inhomogêneo. Quando a luz atravessa estas regiões perturbadas, espalhamento e interferência redistribuem o campo óptico, efetivamente reduzindo o índice de refração medido.

Fatores de confusão potenciais — temperatura, tensão residual e banda proibida — foram sistematicamente excluídos. Todas as medições foram à temperatura ambiente. Espectros Raman mostram modesto deslocamento para o azul do pico AlN E₂(h) com diminuição de TDD, indicando tensão compressiva do substrato de safira; no entanto, esta tensão tem impacto desprezível no índice de refração comparado à densidade de discordâncias. Determinações de banda proibida do gráfico (αE)² vs. E revelam leve aumento de 6,1106 para 6,1536 eV entre as amostras, mas a correlação inversa esperada com índice de refração não é observada, reforçando que TDD domina a resposta óptica.

Conclusões

Densidade de discordâncias de rosca é um parâmetro decisivo governando o índice de refração do AlN. Reduzindo TDD através de recocimento de alta temperatura, o índice de refração pode ser ajustado para cima, aproximando-se de valores de volume e potencialmente aumentando LEE e refletividade DBR em dispositivos DUV. O campo de deformação na nanoescala ao redor de discordâncias induz variações locais de índice de refração que se agregam em um efeito macroscópico mensurável. Estes insights fornecem um caminho claro para otimizar crescimento de AlN e arquitetura de dispositivos para alcançar maior desempenho em optoeletrônica DUV.