AlN/Al2O3インコヒーレント界面の構造と物性に関する研究

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1. インコヒーレント界面の研究背景

機能性材料界面は、バルク材料とは異なる新しい物理的および化学的現象や特性を示すことが多いため、多くの注目を集めています。例えば、物質界面では二次元電子ガス、界面超伝導、界面発光、界面磁性などが発見されている。これらの興味深い界面現象や特性は通常、界面での強い物理的および化学的相互作用に起因するため、主にコヒーレントおよびセミコヒーレント界面で発生します。

コヒーレント界面からセミコヒーレント界面、そしてインコヒーレント界面へと、界面での格子不整合は増加し続け、その結果、材料界面での格子不整合調整メカニズムと界面構造が異なります。コヒーレント界面の格子不整合は小さく、隣接する2つの格子の弾性変形によって界面不整合が調整され、界面上の原子間に完全に一致した界面構造が形成されます。セミコヒーレント界面における格子不整合は中程度であり、界面不整合転位の周期的配列の形成によって補償される。インコヒーレントな界面での格子不整合は非常に大きく、界面の両側にある隣接する結晶は元の格子を維持して堅く積み重なるため、界面不整合転位の形成が困難になります。インコヒーレント界面は他の 2 種類の界面よりも一般的ですが、格子整合性が低く界面結合強度が弱いため、界面上の相互作用は非常に弱くなります。したがって、インコヒーレント界面が固有の界面現象や特性を示すことはほとんどなく、インコヒーレント界面の研究と応用が大幅に制限されます。

2.Iに関する研究インターフェースP異常事態とP趣味AlN/Al2O3ので筋の通った私インターフェース

インコヒーレント界面における新しい界面現象や性質を探るため、研究チームはインコヒーレント界面における原子・電子構造と界面相互作用に関する体系的な研究を実施した。 AlN/Al2O3 (0001) の非コヒーレント界面には、大きな格子不整合 (~12%) を伴う異常に強い界面相互作用が存在することが判明しました。強力な界面相互作用は、AlN/Al2O3 界面の原子および電子構造と発光特性を大きく制御します。透過型電子顕微鏡による微細構造特性評価の研究結果は、AlN/Al2O3 のインコヒーレント界面では、他のインコヒーレント界面ではまれである、界面不整合転位ネットワークと積層欠陥が形成されることを示しています。

図1 AlNAl2O3(0001)インコヒーレント界面の微細構造

図 1 AlN/Al2O3 (0001) インコヒーレント界面の微細構造。 (a、b) 断面サンプルの透過型電子顕微鏡明視野像と選択領域電子回折パターン。 Al2O3 基板上に AlN 薄膜をエピタキシャル成長させると、界面での明暗のコントラストが不均一となり、界面での応力集中の存在が示されました。 (c、d) 平面サンプルの透過型電子顕微鏡の明視野画像と選択領域電子回折パターン。界面には界面不整合転位ネットワークが形成される。

原子層分解価電子エネルギー損失スペクトルは、AlN/Al2O3 のインコヒーレント界面のバンドギャップが約 3.9 eV まで減少し、AlN および Al2O3 バルク材料のバンドギャップ (それぞれ 5.4 eV および 8.0 eV) よりも大幅に小さいことを示しています。第一原理計算によると、界面でのバンドギャップの減少は主に、界面での歪んだ AlN3O 四面体と AlN3O3 八面体の形成によるもので、その結果、Al-N 結合と Al-O 結合の間で競合が発生し、結合長が増加することが示されています。

図2 積層欠陥のないAlNAl2O3界面の原子・電子構造

図 2 積層欠陥のない AlN/Al2O3 界面の原子および電子構造。 (a、b) 走査透過型電子顕微鏡の HAADF および ABF 画像。 AlN の Al 原子表面は、Al2O3 の O 原子表面と界面で直接結合しています。 AlN と Al2O3 の格子は強固に積み重ねられており、8 つの AlN 原子表面が 9 つの Al2O3 原子表面と一致します。原子の再構成と Al 原子柱の分裂は界面 (赤い矢印で示す) で発生します。 (c) 原子層分解能の価電子エネルギー損失スペクトル。界面のバンドギャップは約 3.9 eV に減少し、AlN および Al2O3 バルク材料のバンドギャップよりも大幅に小さくなりました。

図3 AlNAl2O3界面断層帯の原子・電子構造

図 3 AlN/Al2O3 界面断層帯の原子および電子構造。 (a、b) 走査透過型電子顕微鏡の HAADF および ABF 画像。界面の積層欠陥は Al2O3 側に形成されますが、界面の両側の材料の格子整合は変化しません。界面には、9 つの Al2O3 原子面と一致する 8 つの AlN 原子面がまだあります。 (c) 原子層分解能の価電子エネルギー損失スペクトル。界面のバンドギャップは約 3.9 eV まで減少し、AlN および Al2O3 バルク材料のバンドギャップよりも大幅に小さくなりました。

図 4 AlNAl2O3 界面における原子および電子構造の第一原理計算

図 4 AlN/Al2O3 界面における原子および電子構造の第一原理計算。 (ac) 積層欠陥、電子状態密度、および Al 原子の微分電荷密度を含まない原子モデル。 (交流) 積層欠陥帯、電子状態密度、および Al 原子の差分電荷密度の原子モデル。非積層欠陥領域と積層欠陥領域のバンドギャップは、それぞれ 3.3 eV と 3.4 eV です。界面の結合強度が高く、Al-N結合とAl-O結合が競合して、歪んだAlN3O四面体やAlN3O3八面体を形成します。

陰極蛍光分光分析により、非コヒーレント界面は波長320nmの紫外光を発する界面発光特性を有しており、その発光強度はAlN薄膜の固有発光よりもはるかに高いことが示されている。この研究は、大きな格子不整合を持つ非コヒーレント界面が強い界面相互作用と独特の界面特性を示し、非コヒーレント界面に対する人々の理解を深め、拡大する可能性があることを示しています。インコヒーレント界面に基づく高度なヘテロ接合材料およびデバイスの開発のための参考およびガイダンスを提供できます。

図5 AlNAl2O3界面の陰極蛍光測定

図 5 AlN/Al2O3 界面の陰極蛍光測定。 (a) 走査型電子顕微鏡二次電子画像、(b) 陰極蛍光スペクトル、(c、d) 210 nm および 320 nm レーザーで測定した陰極蛍光分布マップ。 210nmの光励起はAlN薄膜から生じ、320nmの光励起は界面から生じます。界面発光強度は、AlN 薄膜の固有発光よりも大幅に高くなります。

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