AlN 構造と光学特性に対する基板結晶面と高温アニールの影響 +
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AlN 薄膜は、紫外線オプトエレクトロニクス、高周波音響デバイス、高出力エレクトロニクスなどの分野での応用に大きな可能性を示しています。ただし、そのデバイスの性能は、薄膜の高い結晶品質と低い欠陥密度に大きく依存します。大型で高品質のAlN単結晶基板が不足しているため、ヘテロエピタキシャル成長が主流となっており、中でもサファイアはその格子整合性と安定性から一般的に使用される基板となっている。現在の研究に基づいて、この記事では、マグネトロン スパッタリングによって作製された AlN 薄膜の構造と光学特性に対する、さまざまなサファイア基板結晶面 (c 面、a 面、r 面) と高温熱アニール (HTTA) の影響を調査します。
1. 基板結晶面影響するAlN薄膜の物性について
インら。らは、高周波マグネトロンスパッタリングにより、ｃ面、ａ面、およびｒ面サファイア（ＡＮｃ、ＡＮａ、ＡＮｒと呼ばれる）上にＡｌＮ薄膜を作製した。 XRD分析によると、ANaサンプルは最も強い(0002)回折ピークを示し、最高の結晶品質を示していますが、ANcとANrの回折ピークはそれより弱く、結晶中により多くの欠陥が存在することを示唆しています。 ANa の粒径は Scherrer の公式を使用して 22.41nm と計算され、転位密度は 2.0nm-2、微小歪みは 1.57% でした。
図1 異なる面を有するサファイア基板上のAlN薄膜のXRD
エリプソメータ（SE）テストにより、ANc、ANr、および ANa のバンドギャップはそれぞれ 6.03 eV、6.08 eV、および 6.17 eV であり、ANc の粗さは最小（4.90 nm）、ANr の粗さは最大（19.39 nm）であることがわかりました。 XPS分析ではさらに、ANaの表面の酸化物層が最も厚く(33.64Å)、ANrが最も薄い(19.00Å)ことを示し、a側基板のAlN表面のAl原子がより酸化されやすいことを示しており、これは表面エネルギーとダングリングボンド密度に関連している可能性があり、異なる基板がAlNの表面酸素吸着能力に大きな影響を与えることを示しています。
図2 AlN薄膜（ANa、ANr、ANc）のXPS測定スペクトル
2. 改善HうーんT皇帝あAlN上でのアニーリングTヒンFイルム
ペンら。は、スパッタリングされた AlN 薄膜に対する高温アニール (最高 1700°C) の影響を調査しました。アニーリング後、AlN 回折ピークの FWHM は、特に c 面サファイアで 252 秒角から 68 秒角に大幅に狭くなり、MOCVD 成長のレベルに近づきました。 AFM画像は、アニーリング後に柱状粒子が結合し、表面粗さが変化し、原子レベルの平坦な領域さえもa面サファイアベースのAlNサンプルに現れることを示しています（図（d）を参照）。
図 3 c、a、r 面サファイア上にスパッタリングされた AlN の表面形態：（a、c、e）アニール前。 (b、d、f) アニール後
光透過率テストでは、アニーリング後にすべてのサンプルのバンドギャップが増加したことが示されました。たとえば、c 面サンプルでは 6.107eV から 6.114eV に増加しました。これは、AlN の理論上のバンドギャップである 6.2 eV に近く、点欠陥 (窒素空孔 VN など) の減少と UV 透過率の向上を示しています。ラマン分光法における E2 (高) ピークの出現と増強も、結晶品質の向上を裏付けています。 XPS 分析により、アニール後、Al-Al の誤った結合の数が減少し、Al-N 結合の結合エネルギーがより高いエネルギー方向にシフトしたことが明らかになりました。これは、Al の酸化状態の増加と欠陥の減少を示しています。
図4 c、a、r-afceサファイア基板上にスパッタリングされたAlNのラマンスペクトル：（a）アニール前。 (b) アニール後
図 5 c、a、r 面サファイア基板上にスパッタリングされた AlN の XPS 分析: (a、c、e) アニール前。 (b、d、f) アニール後
以上のことから、サファイア基板の結晶表面は、スパッタリングされたAlN薄膜の結晶品質、表面形態、および光学特性に大きな影響を与え、その中でもa面サファイア基板が高品質AlNのエピタキシャル成長にさらに貢献していることがわかります。高温アニーリング後処理は、粒子の融合を効果的に促進し、転位や点欠陥を低減し、薄膜の結晶化品質と UV 透過率を向上させることができ、普遍的で効果的な後最適化方法です。
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参考文献：
- ying、J.、Zhou、B.、Li、L.、Liu、Y.、Guo、W.、Talwar、DN、… & Feng、ZC (2021)。サファイア基板のさまざまな面に堆積された AlN 薄膜の光学的および構造的特性。半導体科学技術、36(4)、045012。
- Peng, X.、Sun, J.、Liu, H.、Li, L.、Wang, Q.、Wu, L.、… & Ye, J. (2022)。さまざまな方位でサファイア基板上にスパッタリング蒸着された AlN の構造的および光学的特性。半導体ジャーナル、43(2)、022801。