[論文レビュー] Optical properties and associated Urbach energy tails in AlN thin films grown by reactively assisted ion beam sputtering: Effect of 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 31被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、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を用いて成長したAlN薄膜の特性を調査した。基板温度の上昇に伴い、光学的バンドギャップが3.70 eVから3.15 eVに低下し、Urbachエネルギーが増加することが判明した。これは、TEM、AFM、および光学分光法によって確認されたように、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構造的転移と関連している。

ABSTRACT

AlN thin films have been grown on Si (100) substrates by reactive ion beam sputter deposition at different substrate temperatures varying from room temperature (RT) to 500oC. UV-VIS spectrophotometry has been employed to probe the optical properties of grown thin films in reflectance mode. It was found that optical band-gap (Eg) was decreased from 3.70 to 3.15 eV as substrate temperature was increased from RT to 400oC. Urbach energy tail (Eu) has been estimated to account for the optical disorder with associated decrease in Eg. Substrate temperature induced structural 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). Average refractive index (na) was increased as the substrate temperature was increased from RT to 100oC with a dip in extinction coefficient (ka) from 0.319 to 0.148. With further increase in substrate temperature, na followed a decreasing track in its values along with ka. This variation in na and ka values has been correlated to the corresponding surface roughness and morphology at each substrate temperature.

研究の動機と目的

• 基板温度がAlN薄膜の光学的および構造的特性に与える影響を調査すること。
• AlN薄膜内の構造的進化と関連して、光学的バンドギャップおよびUrbachエネルギーの変化を相関させること。
• 異なる成長温度における原子間力顕微鏡（AFM）を用いた表面粗さおよび表面形態の分析。
• 基板温度の上昇に伴う屈折率および消散係数と薄膜の微細構造との関係を理解すること。
• 基板温度がAlN薄膜におけるアモルファスから結晶性への転移を引き起こす役割を特定すること。

提案手法

• AlN薄膜は、室温から500 °Cの基板温度範囲で反応性イオンビームスパッタリングを用いてSi(100)基板上に堆積した。
• UV-VIS分光光度法を反射モードで用いて光学的特性を測定し、バンドギャップおよびUrbachエネルギーを抽出した。
• TEMを用いて微細構造を分析し、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相転移を確認した。
• AFMを用いて各温度における平均表面粗さ（Ra）を定量し、表面形態を評価した。
• 光学透過率データから屈折率（na）および消散係数（ka）を計算し、構造的および形態的変化と相関させた。
• Urbachエネルギー（Eu）を推定して光学的不規則性を定量し、構造欠陥や不規則性に起因するバンドギャップ内の尾状状態を反映した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板温度の上昇がAlN薄膜の光学的バンドギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ2 基板温度とAlN薄膜におけるUrbachエネルギー尾状の関係は何か？
• RQ3 基板温度の上昇に伴い、アモルファスから結晶性への構造的相の進化はどのように進行するか？
• RQ4 AFMで測定した表面粗さおよび形態は、基板温度の上昇に伴いどのように変化するか？
• RQ5 屈折率および消散係数は基板温度の上昇に伴いどのように変化し、その原因は何か？

主な発見

• AlN薄膜の光学的バンドギャップ（Eg）は、室温で3.70 eVから400 °Cで3.15 eVに低下した。
• Urbachエネルギー（Eu）は基板温度の上昇に伴い増加し、バンド端付近の局在状態および光学的不規則性が増加していることを示した。
• TEM分析により、室温ではアモルファス、300 °Cではナノ結晶性、400 °Cではマイクロ結晶性への相転移が確認された。
• 平均表面粗さ（Ra）は基板温度の上昇に伴い増加し、AFMで観察された薄膜形態の変化と相関した。
• 平均屈折率（na）は室温から100 °Cまで上昇した後、さらに温度が上昇するにつれて減少した。
• 消散係数（ka）は室温で0.319から100 °Cで0.148に低下し、その後も温度上昇に伴い徐々に減少した。これは表面形態および微細構造の変化と関連している。