[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过反应离子束溅射法在Si(100)衬底上生长了AlN薄膜，衬底温度范围为室温至500 °C。研究发现，随着温度升高，光学带隙从3.70 eV降低至3.15 eV，同时Urbach能量相应增加，这与从非晶态到纳米晶态再到微晶态的结构转变有关，该转变通过TEM、AFM和光学光谱分析得到证实。

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.

研究动机与目标

• 研究衬底温度对AlN薄膜光学和结构性能的影响。
• 关联AlN薄膜中光学带隙和Urbach能量的变化与结构演化的关系。
• 利用原子力显微镜（AFM）分析不同生长温度下的表面形貌和粗糙度。
• 理解折射率、消光系数与薄膜微观结构随温度升高之间的关系。
• 确定衬底温度在诱导AlN薄膜非晶态向晶态转变中的作用。

提出的方法

• 采用反应离子束溅射法在Si(100)衬底上沉积AlN薄膜，衬底温度范围为室温至500 °C。
• 通过反射模式的紫外-可见分光光度法测量光学性能，以提取带隙和Urbach能量。
• 利用透射电子显微镜（TEM）分析薄膜的微观结构，并确认从非晶态到纳米晶态再到微晶态的相变。
• 采用原子力显微镜（AFM）量化平均表面粗糙度（Ra），并评估各温度下的表面形貌。
• 从光学透射数据计算折射率（na）和消光系数（ka），并将其与结构和形貌变化相关联。
• 估算Urbach能量（Eu）以量化光学无序程度，反映由于结构缺陷或无序导致的带隙尾态。

实验结果

研究问题

• RQ1 衬底温度升高如何影响AlN薄膜的光学带隙？
• RQ2 衬底温度与AlN薄膜中Urbach能量尾态之间存在何种关系？
• RQ3 随着衬底温度升高，AlN薄膜的结构相如何从非晶态演化为晶态？
• RQ4 通过AFM测量，表面粗糙度和形貌如何随衬底温度变化？
• RQ5 折射率和消光系数如何随衬底温度变化，其变化原因是什么？

主要发现

• AlN薄膜的光学带隙（Eg）从室温下的3.70 eV降低至400 °C时的3.15 eV。
• Urbach能量（Eu）随衬底温度升高而增加，表明光学无序增强以及带边附近局域态增多。
• TEM分析证实了从室温下非晶态，经300 °C时的纳米晶态，到400 °C时的微晶态的结构转变。
• 平均表面粗糙度（Ra）随衬底温度升高而增加，与AFM观测到的薄膜形貌变化一致。
• 平均折射率（na）从室温到100 °C先增加，随后随温度进一步升高而下降。
• 消光系数（ka）从室温下的0.319降低至100 °C时的0.148，随后在更高温度下逐渐下降，这与表面形貌和微观结构的变化有关。