[논문 리뷰] Optical band gap and associated band-tails in nanocrystalline AlN thin films grown by reactive IBSD at different substrate temperatures

Neha Sharma, Shilpam Sharma외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 반응성 이온 비임플랜트 스퍼터링 증착(IAESD)을 통해 기질 온도가 실온에서 500 °C까지 변화하는 동안 나노결정질 알루미나 nitride(AlN) 박막에서 광학 밴드 갭과 밴드 테일 상태를 조사한다. 기질 온도가 높아질수록 밴드 갭은 5.08 eV에서 5.21 eV로 증가하였고, 우르바흐 에너지와 약한 흡수 꼬리 매개변수는 감소하여 광학적 비정상성 감소와 함께 필름의 결정성 향상을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기질 온도가 AlN 박막의 미세구조 및 광학적 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 나노결정질 AlN에서 증착 온도 변화가 광학 밴드 갭(Eg)에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 우르바흐 에너지(Eu)와 약한 흡수 꼬리(Et) 매개변수를 통해 광학적 비정상성의 역할을 분석하는 것.
• 비정질에서 미세결정질으로의 미세구조 변화와 광학 밴드 갭 및 비정상성의 변화 간 상관관계를 규명하는 것.

제안 방법

• 기질 온도를 실온에서 500 °C까지 변화시키며 Si(100) 기질에 대해 반응성 이온 비임플랜트 스퍼터링 증착(IBSD)을 사용하여 AlN 박막을 성장시켰다.
• 기질 온도가 증가함에 따라 전자현미경(TEM)을 통해 실온에서는 비정질에서 300 °C에서는 나노결정질로, 400 °C에서는 미세결정질로의 미세구조 전이를 관찰하였다.
• 표면 거칠기(Ra) 측정과 필름 미세형상 분석을 위해 원자력 현미경(AFM)을 사용하였다.
• 전체 온도 범위에서 광학 밴드 갭(Eg)을 추출하기 위해 반사율 모드의 자외선-가시광선 분광법을 적용하였다.
• 광학적 비정상성을 정량화하기 위해 우르바흐 에너지(Eu)와 약한 흡수 꼬리(Et)를 계산하였다.
• 온도 의존적인 미세구조 및 광학 데이터를 바탕으로 결정성, 밴드 갭, 비정상성 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질 온도는 IBSD로 증착된 AlN 박막의 미세구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 AlN 박막에서 기질 온도가 증가함에 따라 광학 밴드 갭(Eg)은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 기질 온도가 증가함에 따라 우르바흐 에너지(Eu)와 약한 흡수 꼬리(Et)로 정량화된 광학적 비정상성은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 더 높은 온도에서 향상된 결정성이 AlN 박막에서 광학적 밴드 테일 상태를 어느 정도 감소시키는가?

주요 결과

• AlN 박막의 광학 밴드 갭(Eg)은 실온에서 5.08 eV에서 500 °C에서 5.21 eV로 증가하였다.
• 기질 온도가 증가함에 따라 TEM 분석을 통해 비정질에서 나노결정질로, 다시 미세결정질로의 미세구조 전이가 관찰되었다.
• 광학적 비정상성의 척도인 우르바흐 에너지(Eu)는 기질 온도가 높아질수록 감소하여 꼬리 상태 감소를 나타내었다.
• 약한 흡수 꼬리(Et) 에너지도 높은 증착 온도에서 감소하여 광학적 비정상성 감소를 추가로 확인하였다.
• AFM로 확인한 바에 따르면 표면 거칠기(Ra)는 온도 상승과 함께 증가하였으며, 이는 결정성 향상과 관련이 있었다.
• 우르바흐 에너지와 Et의 동시 감소는 AlN 박막의 전자적 품질 향상과 결함 농도 감소를 시사한다.