Síntese por feixe de íons de GaN-layer sobre GaAs - Coelho Júnior, Horácio (2018)
O Nitreto de Gálio (GaN) é um semicondutor de gap direto, motivo de numerosas pesquisas científicas, principalmente devido a sua importância na fabricação de dispositivos de alta potência e optoeletrônicas. Ligas de GaN como InGaN e AlGaN, por exemplo, possibilitam a fabricação de LEDs e LASERs azuis. Neste nosso estudo selecionamos o Arseneto de Gálio (GaAs) como um substrato viável para síntese de GaN mediante a permuta de Arsênio (As) por Nitrogênio (N) fundamentada em três passos: a) incorporação de N por implantação iônica em GaAs (à 350, 450 ou 550 ºC) em elevadas fluências (1, 2, 3 ou 4 × 1017 N/cm2); b) maior estabilidade das ligações Ga-N frente às de Ga-As; e c) expurgo de As da região contendo N implantado mediante recozimentos (à 550, 650, 750, 850 ou 1000 ºC) sob fluxo de N2. Uma capa de ~ 125 nm de Nitreto de Silício (Si3N4) foi depositada por sputtering sobre o GaAs previamente a implantação à quente: camada de sacrifício que pode ser removida após a síntese. Análises por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Espectroscopia de Raios- X por Dispersão em Energia (EDS) demonstraram que, no estado como-implantado da fluência de 3 × 1017 N/cm2, formam-se bolhas de N para ambos os lados da interface Si3N4/GaAs e a região implantada do GaAs amorfiza. Após um recozimento à 850 ºC/5 min, observou-se uma elevada degradação da camada de Si3N4, fragilizada pela formação das bolhas de N. Formou-se uma camada contínua de GaN (GaN-layer) de ~ 70 nm na sua fase hexagonal, sustentada por “pilares” no substrato GaAs, entre os quais existem extensos vazios. Medidas TEM em alta resolução (HRTEM) e por Difração de Elétrons de Área Selecionada (SAED) revelaram que a GaN-layer apresenta forte tendência à epitaxia com o substrato GaAs (relações de epitaxia são aqui apresentadas), e regiões estruturalmente espelhadas (i.e., twins). SAED sobre os pilares evidenciaram uma fase transicional cúbica, com um parâmetro de rede substancialmente menor (0,42 ± 0,01) nm que o reportado na literatura (0,45 nm). Estudos por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford e Canalização (RBS/C) mostraram que a GaN-layer é rica em N (Ga1,00N1,90, para 3 × 1017 N/cm2) e apresenta canalização (para implantações de 2 e 3 × 1017 N/cm2), confirmando o caráter monocristalino identificado por TEM. Medidas de Fotoluminescência (PL) confirmam emissão na região do gap de banda do α-GaN (~ 3,4 eV), bem como bandas associadas a defeitos estruturais do material. Também foi investigado o efeito de campos de tensão provenientes de bolhas de Hélio (He) mediante a realização da síntese a partir de substrato GaAs pré-implantado com He. Neste caso, as bolhas, que se formam no GaAs durante a implantação de N à quente e extinguem-se após recozimentos, limitam a difusão de N para o interior do substrato, conduzindo a formação de uma GaN-layer mais espessa (~ 120 nm) e com bem mais N (Ga1,00N2,80). Como consequência, a GaNlayer apresentou um caráter mais policristalino.