[论文解读] XPS studies on AlN thin films grown by ion beam sputtering in reactive assistance of N+/N2+ ions: Substrate temperature induced compositional variations

Neha Sharma, S. Ilango+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 19被引用 5

一句话总结

本研究探讨了在反应性 N+/N2+ 离子辅助的离子束 sputtering 沉积过程中，基底温度对 AlN 薄膜成分的影响。通过 XPS 分析，结果表明，将基底温度从室温提高到 500 °C 可使 AlN 表面浓度提升至 74 at. %，相比其他技术表现出显著更高的纯度，且检测到的次要相极少。

ABSTRACT

We report on an XPS study of AlN thin films grown on Si(100) substrates by ion beam sputter deposition (IBSD) in reactive assistance of N+/N2+ ions to unravel the compositional variation of their surface when deposited at different substrate temperatures. The temperature of the substrate was varied as room temperature (RT), 100oC and 500oC. The binding energy of Al-2p, N-1s and O-1s core electrons indicate the formation of 2H polytypoid of AlN. The increase in concentration of AlN with substrate temperature during deposition is elucidated through detailed analysis with calculated elemental atomic concentrations (at. %) of all possible phases at the film surface. Our results show that predominate formation of AlN as high as 74 at. % is achievable using substrate temperature as the only process parameter. This high fraction of AlN in thin film surface composition is remarkable when compared to other growth techniques. Also, the formation of other phases is established based on their elemental concentrations.

研究动机与目标

• 研究在反应性 N+/N2+ 离子辅助的离子束 sputtering 沉积过程中，基底温度对 AlN 薄膜表面成分的影响。
• 识别并量化在不同沉积温度下薄膜表面存在的相。
• 确定使 AlN 相浓度最大化并最小化次要相的最优基底温度。
• 评估仅通过基底温度作为唯一工艺参数实现高纯度 AlN 薄膜的可行性。

提出的方法

• 采用离子束 sputter 沉积（IBSD）在 Si(100) 基底上生长 AlN 薄膜，并辅以 N+ 和 N2+ 离子的反应性辅助。
• 系统性地将基底温度设定为 300 K（室温）、373 K（100 °C）和 773 K（500 °C）。
• 采用 X 射线光电子能谱（XPS）分析 Al-2p、N-1s 和 O-1s 电子的内层结合能。
• 基于 XPS 数据计算所有表面相的元素原子浓度（at. %），以评估相组成。
• 根据 Al-2p 和 N-1s 的特征结合能值，确认了 AlN 的 2H 多型结构。
• 相的识别进一步通过元素浓度趋势及与已知参考值的比较得到支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 N+/N2+ 反应性辅助的 IBSD 沉积过程中，基底温度如何影响 AlN 薄膜的表面成分？
• RQ2 在不同基底温度下，AlN 表面浓度的最大可实现值是多少？
• RQ3 在沉积过程中形成了哪些次要相，其浓度如何随温度变化？
• RQ4 是否可仅通过基底温度实现高纯度 AlN 薄膜，而无需其他工艺变量？

主要发现

• 当基底温度升高至 500 °C 时，AlN 表面浓度提升至 74 at.%，为本研究中实现的最高 AlN 分数。
• 通过 Al-2p 和 N-1s 的特征结合能值确认了 AlN 的 2H 多型结构，表明其具有较高的结构质量。
• 在所有温度下均检测到氧相关物种，但其浓度保持较低，表明氧化程度极小。
• 识别出少量次要相，如 Al2O3 和与 AlN 相关的氧氮化物，其浓度随温度升高而降低。
• 在 500 °C 时 AlN 的形成显著增强，表明化学计量比和表面质量得到改善。
• 结果表明，基底温度是控制 IBSD 中反应性离子辅助下 AlN 薄膜成分的极为有效的参数。