[논문 리뷰] 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 Sharma외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 500 °C까지의 기질 온도에서 반응성 이온 비임 스퍼터링을 통해 Si(100) 기질에 성장시킨 AlN 박막을 조사한다. 기판 온도가 상승함에 따라 광학 금속역이 3.70 eV에서 3.15 eV로 감소하고, 이와 함께 Urbach 에너지도 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 TEM, AFM 및 광학 스펙트로스코피를 통해 확인된 비정질에서 나노결정질로, 다시 마이크로결정질로의 구조 전이와 관련이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기판 온도가 AlN 박막의 광학적 및 구조적 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• AlN 박막의 구조적 변화와 연관하여 광학 금속역과 Urbach 에너지의 변화를 상관관계화하는 것.
• 다양한 성장 온도에서 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 표면 형태 및 거칠기를 분석하는 것.
• 기판 온도 상승에 따라 굴절률과 흡수 계수 사이의 관계를 이해하는 것.
• 기판 온도가 AlN 박막의 비정질에서 결정질로의 전이를 유도하는 역할을 규명하는 것.

제안 방법

• 기판 온도가 실온에서 500 °C까지 변하는 조건에서 반응성 이온 비임 스퍼터링을 사용하여 Si(100) 기판에 AlN 박막을 증착하였다.
• 광학적 성질은 반사 모드에서 UV-VIS 분광계를 사용하여 측정하여 금속역과 Urbach 에너지를 추출하였다.
• 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 미세구조를 분석하고 비정질에서 나노결정질로, 다시 마이크로결정질로의 전이를 확인하였다.
• 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 각 온도에서 평균 표면 거칠기(Ra)를 정량화하고 표면 형태를 평가하였다.
• 광학 투과도 데이터에서 굴절률(na)과 흡수 계수(ka)를 계산하고, 이들을 구조적 및 형태적 변화와 연관지었다.
• Urbach 에너지(Eu)는 광학적 불규칙성을 정량화하기 위해 추정되었으며, 이는 구조 결함 또는 질서 없는 상태로 인한 밴드 갭 내 국소화 상태를 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기판 온도가 상승함에 따라 AlN 박막의 광학 금속역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기판 온도와 AlN 박막의 Urbach 에너지 尾 상태 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ3 기판 온도 상승에 따라 비정질에서 결정질로의 구조 상전이가 어떻게 진행되는가?
• RQ4 AFM 측정 결과에 따르면, 기판 온도 상승에 따라 표면 거칠이와 형태는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 굴절률과 흡수 계수의 변화는 기판 온도에 따라 어떻게 변화하며, 이러한 변화의 원인은 무엇인가?

주요 결과

• AlN 박막의 광학 금속역(Eg)은 실온에서 3.70 eV에서 400 °C에서 3.15 eV로 감소하였다.
• Urbach 에너지(Eu)는 기판 온도 상승에 따라 증가하여, 밴드 에지 근처의 광학적 불규칙성과 국소화 상태가 증가함을 나타내었다.
• TEM 분석을 통해 실온에서 비정질, 300 °C에서 나노결정질, 400 °C에서 마이크로결정질로의 전이가 확인되었다.
• 평균 표면 거칠기(Ra)는 기판 온도 상승에 따라 증가하였으며, AFM로 관찰된 박막 형태의 변화와 상관관계가 있었다.
• 평균 굴절률(na)은 실온에서 100 °C까지는 증가하다가, 이후 온도 상승에 따라 감소하였다.
• 흡수 계수(ka)는 실온에서 0.319에서 100 °C에서 0.148로 감소하였고, 이후 고온에서 점차 감소하는 경향을 보였으며, 이는 표면 형태 및 미세구조 변화와 관련이 있었다.