[論文レビュー] Optical band gap and associated band-tails in nanocrystalline AlN thin films grown by reactive IBSD at different substrate temperatures

Neha Sharma, Shilpam Sharma+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、室温から500 °Cの基板温度で反応性イオンビームスパッタリング法（IBSD）を用いて成長されたナノ結晶性窒化アルミニウム（AlN）薄膜の光学的バンドギャップおよびバンドテイル状態を調査した。基板温度が上昇するに従い、バンドギャップは5.08 eVから5.21 eVに上昇し、Urbachエネルギーおよび弱吸収テイルパラメータは低下した。これは、結晶性の向上に伴い光学的不規則性が減少することを示している。

ABSTRACT

AlN thin films have been grown on Si (100) substrates by reactive ion beam sputter deposition (IBSD) at different substrate temperatures varying from room temperature (RT) to 500oC. Substrate temperature induced microstructural transition from amorphous at RT, nanocrystalline at 300oC to microcrystalline at 400oC has been observed by Transmission Electron Microscopy (TEM). Average surface roughness (Ra) and morphology has been explored by using Atomic Force Microscopy (AFM). UV-VIS spectrophotometry has been employed to probe the substrate temperature induced changes in optical band-gap (Eg) of grown thin films in reflectance mode. It was found that Eg was increased from 5.08 to 5.21 eV as substrate temperature was increased from RT to 500oC. Urbach energy tail (Eu) along with weak absorption tail (WAT) energy (Et) have been estimated to account for the optical disorder which was found to decrease with associated increase in Eg.

研究の動機と目的

• 基板温度がナノ結晶性AlN薄膜の微細構造および光学的性質に与える影響を調査すること。
• 異なる堆積温度がナノ結晶性AlNにおける光学的バンドギャップ（Eg）に与える影響を特定すること。
• Urbachエネルギー（Eu）および弱吸収テイル（Et）パラメータを用いて光学的不規則性の役割を分析すること。
• 非アモルファスからマイクロ結晶性への微細構造の変化と、光学的バンドギャップおよび不規則性の変化との相関を明らかにすること。

提案手法

• 反応性イオンビームスパッタリング法（IBSD）を用いて、Si(100)基板上に室温から500 °Cの基板温度でAlN薄膜を成長させた。
• TEMを用いて、室温ではアモルファスから300 °Cではナノ結晶性、400 °Cではマイクロ結晶性への微細構造的転移を分析した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、表面粗さ（Ra）を測定し、薄膜の表面形貌を検討した。
• UV-VIS分光法を反射モードで用い、全温度範囲で光学的バンドギャップ（Eg）を抽出した。
• 光学的不規則性を定量化するために、Urbachエネルギー（Eu）および弱吸収テイル（Et）を計算した。
• 温度依存の微細構造的および光学的データを用いて、結晶性、バンドギャップ、不規則性の関係を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板温度は、IBSD法で成長されたAlN薄膜の微細構造にどのように影響するか？
• RQ2 AlN薄膜において、基板温度の上昇に伴い光学的バンドギャップ（Eg）はどのように変化するか？
• RQ3 Urbachエネルギー（Eu）および弱吸収テイル（Et）で定量化された光学的不規則性は、基板温度上昇に伴いどのように変化するか？
• RQ4 より高い温度での結晶性の向上が、AlN薄膜における光学的バンドテイル状態をどの程度低減させるか？

主な発見

• AlN薄膜の光学的バンドギャップ（Eg）は、室温で5.08 eVから500 °Cで5.21 eVに上昇した。
• TEMによる観察で、基板温度上昇に伴いアモルファスからナノ結晶性、さらにマイクロ結晶性への微細構造的転移が確認された。
• 光学的不規則性の指標であるUrbachエネルギー（Eu）は、基板温度上昇に伴い低下し、テイル状態が減少していることが示された。
• 弱吸収テイル（Et）エネルギーも、より高い堆積温度で低下し、光学的不規則性の減少がさらに裏付けられた。
• AFMによる確認で、表面粗さ（Ra）は温度上昇に伴い増加し、結晶性の向上と相関した。
• UrbachエネルギーとEtの両方の低下が温度上昇に伴い見られたことから、AlN薄膜の電子的品質が向上し、欠际密度が低下していることが示された。