[論文レビュー] Study on the Effect of Annealing on Ga$_2$O$_3$ Thin Films Deposited on Silicon by RF Sputtering

Ana Sofia Sousa, Duarte Magalhães Esteves+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2026

Ga2O3 and related materials被引用数 0

ひとこと要約

この研究は、熱アニール（550–1000 °C）がRFスパッタリングによってSi上に作製されたGa2O3薄膜の光学的・構造的・組成的特性にどのように影響するかを、エリプソメトリ、XRD、RBS、AFMを用いて分析したもの。アニール温度の上昇とともに屈折率の顕著な増加と結晶性の改善が見られ、SiO2界面成長が観察される。

ABSTRACT

Gallium oxide is an ultra-wide bandgap semiconductor with excellent opto-electronic properties, making it a highly promising material for a wide range of applications and devices. In this article, we report how the optical, morphological, structural, and compositional properties of $β$-Ga$_2$O$_3$ thin films deposited by RF sputtering on silicon substrates are affected by thermal treatments. Ellipsometric spectra recorded at multiple angles of incidence from several samples subjected to thermal annealing in the range of 550-1000 $^\circ$C were analyzed to extract the optical functions using appropriate multilayer models. This analysis is complemented by compositional, structural, and morphological characterization techniques. A significant increase of the refractive index was found after annealing at 1000 $^\circ$C, accompanied by a stark improvement in the samples' crystalline structure, as confirmed by complementary structural and compositional characterization techniques.

研究の動機と目的

• アニール温度がRFスパッタリングによって成膜されたSi上のGa2O3薄膜の光学的・構造的・組成的特性に与える影響を理解する。
• 屈折率の変化と熱処理によって誘起される構造的・組成的変化を関連づける。
• アニールによる膜密度、厚さ、化学量論比、および界面酸化物形成の変化を評価する。

提案手法

• 室温でGa2O3をRFスパッタリングしてSi基板上に薄膜厚さ≈73 nmを形成。
• 試料を空気中で550到1000 °Cの範囲で150 °C刻みで1 hの熱アニール。
• スペクトロスコピーエリプソメトリを用いた解析でTauc-Lorentzモデルによりn, k, 膜厚を抽出。
• 補足分析として、AFMによる表面形状、RBSによる深さ方向組成と膜厚、XRDによる結晶構造と粒径/マイクロひずみを実施。
• データフィッティングはGa2O3/SiO2/Siの3層モデルとTiour–Lorentz型分散を用い、エリプソメトリ後のn(λ)にはWemple–DiDomenico解析を適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アニール温度はGa2O3薄膜のSi上での屈折率および光学分散にどのような影響を与えるか？
• RQ2 アニールに伴う構造的（結晶品質、粒径、マイクロひずみ）および組成的（Ga/O/SiO2界面層）変化はどのようなものか？
• RQ3 アニールは膜密度と界面酸化物形成に影響を与え、それらは光学特性とどのように関係するか？

主な発見

サンプル	Ga2O3厚さ（10^15 at/cm^2）	粗さ（10^15 at/cm^2）	Ga (%)	O (%)	SiO2厚さ（10^15 at/cm^2）
as-grown	594	0	44	56	6
550 °C	585	0	39	61	15
700 °C	576	0	39	61	24
850 °C	571	0	40	60	62
1000 °C	537	40	40	60	202

• 632.8 nmにおける屈折率はアニールとともに増加し、1000 °Cでn = 1.915、成長前はn = 1.851であった。
• XRDは高温アニールに伴いβ-Ga2O3の400反射が現れ、鋭くなることを示し、結晶性の改善と粒径の大きさを示唆。
• RBSはアニール温度とともにSiO2界面層が増加（as-grown→1000 °Cで6→15→24→62→202 (10^15 at/cm^2単位)）、Ga/Oの化学量論比は約44/56%から約40/60%へと変化。
• 膜密度はアニールとともに増加し、温度が上がるにつれてβ-Ga2O3の理論密度に近づく。
• AFMはRMS粗さが850 °Cまではほぼ変化せず、1000 °Cで急増（0.5→0.6→0.7→0.9→5.4 nm）、粒子成長と相関。
• ELA（エリプソメトリ）はアニール系列全体でSiO2層の厚みとnの増加を確認、kは紫外領域までほとんどゼロに近く、バンドギャップの拡大と欠陥密度の低下と整合。