[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究调查了通过反应离子束溅射沉积（IBSD）在室温至500 °C基底温度下生长的纳米晶氮化铝（AlN）薄膜的光学带隙及带尾态。随着基底温度升高，带隙从5.08 eV增加至5.21 eV，而Urbach能量和弱吸收尾参数降低，表明薄膜结晶度提高，光学无序性减少。

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.

研究动机与目标

• 调查基底温度对AlN薄膜微观结构和光学性能的影响。
• 确定不同沉积温度对纳米晶AlN中光学带隙（Eg）的影响。
• 通过Urbach能量（Eu）和弱吸收尾（Et）参数分析光学无序的作用。
• 将微观结构演化（非晶态至微晶态）与光学带隙及无序性的变化相关联。

提出的方法

• 采用反应离子束溅射沉积（IBSD）在Si(100)基底上于室温至500 °C的基底温度下生长AlN薄膜。
• 利用透射电子显微镜（TEM）分析随基底温度升高，薄膜从室温下的非晶态转变为300 °C时的纳米晶态，以及400 °C时的微晶态。
• 采用原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度（Ra）并研究薄膜形貌。
• 采用紫外-可见光谱光度法在反射模式下测量，以提取整个温度范围内光学带隙（Eg）。
• 计算Urbach能量（Eu）和弱吸收尾（Et）以量化薄膜中的光学无序性。
• 利用温度依赖的微观结构与光学数据，分析结晶度、带隙与无序性之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 基底温度如何影响IBSD生长的AlN薄膜的微观结构？
• RQ2 在AlN薄膜中，随着基底温度升高，光学带隙（Eg）如何变化？
• RQ3 通过Urbach能量（Eu）和弱吸收尾（Et）量化光学无序性时，其随基底温度如何演变？
• RQ4 在较高温度下，结晶度提高在多大程度上减少了AlN薄膜中的光学带尾态？

主要发现

• AlN薄膜的光学带隙（Eg）从室温下的5.08 eV增加至500 °C时的5.21 eV。
• 通过TEM观察到，随着基底温度升高，薄膜的微观结构经历了从非晶态到纳米晶态再到微晶态的转变。
• Urbach能量（Eu）作为光学无序性的度量，随基底温度升高而降低，表明尾态减少。
• 弱吸收尾（Et）能量也随更高沉积温度而降低，进一步证实光学无序性减少。
• AFM结果证实，表面粗糙度（Ra）随温度升高而增加，与结晶度提升相关。
• Urbach能量和Et随温度升高而共同降低，表明AlN薄膜的电子质量提高，缺陷密度减少。