Kelakuan dan Peranan Resapan Oksigen dalam Filem Nipis Aluminium Nitrida +

PAM-XIAMEN boleh menawarkan templat AlN, yang ditanam pada substrat nilam atau substrat silikon. Untuk lebih banyak parameter spesifikasi, sila hubungi pasukan jualan kami di[email protected]

AlN mempunyai jurang jalur lebar (6.1eV), medan elektrik kritikal yang tinggi dan kekonduksian terma yang baik, menjadikannya penting untuk peranti pemancar cahaya ultraungu dalam dan peranti elektronik berkuasa tinggi. Walau bagaimanapun, oksigen adalah kekotoran yang paling biasa dan tidak dapat dielakkan dalam filem nipis AlN, dan bentuk serta kepekatannya secara langsung menentukan sifat elektrik, optik dan struktur bahan tersebut. Sumber oksigen berbeza-beza mengikut kaedah fabrikasi: dalam pemendapan lapisan atom suhu rendah, oksigen terutamanya berasal daripada sisa prekursor atau penjerapan dinding ruang; dalam epitaksi fasa wap metalorganik (MOVPE) dan penyepuhlindapan suhu tinggi seterusnya, oksigen mungkin meresap daripada penguraian substrat nilam ke dalam filem. Memahami tingkah laku resapan oksigen dalam keadaan berbeza dan interaksinya dengan kecacatan titik dan kehelan adalah penting untuk mencapai prestasi terkawal AlN.

1. Penggabungan Oksigen semasa Pertumbuhan Suhu Rendah: PEALD AlN

1.1 Sumber Oksigen dan Kawalan Plasma

In plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD), AlN thin films are typically grown at temperatures below 300 °C. Oxygen impurities originate mainly from oxygen species adsorbed on the reaction chamber walls, residual water vapor, and oxygen-containing groups in the precursors. Gungor and Alevli found that when pure N₂ plasma is used as the nitrogen source, the oxygen concentration in AlN films reaches as high as 55 at.%. Such high oxygen content results in the film no longer being pure AlN but forming a mixed AlON phase.

To suppress oxygen incorporation, H₂ was introduced into the N₂ plasma. Experiments show that at an N₂/H₂ flow ratio of 50/25 SCCM, the oxygen concentration in the film drops to about 18 at.%; further increasing H₂ to 50 SCCM raises the oxygen concentration only slightly to about 20 at.%, with no further reduction. This indicates that the ability of H₂ plasma to remove oxygen species via reduction has a saturation threshold. Fig. 1 shows Al 2p XPS spectra of AlN films under different plasma conditions. It can be clearly seen that the sample grown with pure N₂ plasma exhibits distinct Al–O bonds on the surface, while after introducing H₂, the Al–O peak disappears, leaving only Al–N bonds.

Fig. 1 Al 2p XPS spectra of AlN film surfaces under different plasma conditions

1.2 Kesan Oksigen terhadap Komposisi Kimia dan Keadaan Ikatan

Pemprofilan kedalaman XPS mendedahkan lagi perbezaan dalam pengagihan oksigen antara permukaan dan sebahagian besar filem. Sampel yang ditanam dengan plasma N₂ tulen mempunyai kepekatan oksigen pukal setinggi 55 at.% dan kandungan nitrogen hanya kira-kira 4 at.%, menunjukkan pengoksidaan filem yang teruk. Sebaliknya, sampel yang ditanam dengan plasma N₂/H₂ mempunyai kepekatan oksigen pukal yang stabil pada 18–20 at.%, kandungan nitrogen kira-kira 30 at.%, dan kandungan aluminium kira-kira 50 at.%, lebih hampir kepada nisbah stoikiometri AlN.

Rajah 2 Komposisi unsur permukaan dan pukal (pada.%) filem AlN di bawah nisbah aliran N₂/H₂ yang berbeza

High-resolution N 1s and O 1s spectra show that in the film grown with pure N₂ plasma, N is mainly present as N–Al–O bonds, whereas in the film grown with N₂/H₂ plasma, N–Al bonds dominate, indicating that oxygen is incorporated mainly by substituting nitrogen sites, while also forming a small amount of Al–O–N transition structures. The figure below shows that the N₂/H₂ sample is dominated by the N–Al peak (~396.2eV), while the pure N₂ sample shows only the N–Al–O peak (~399.8eV), indicating that H₂ promotes effective nitrogen incorporation.

Fig. 3 Bulk N 1s XPS spectra of AlN films under different plasma conditions

1.3 Kesan Oksigen terhadap Morfologi dan Tingkah Laku Fonon

Analisis morfologi mikroskopi daya atom (AFM) menunjukkan bahawa kepekatan oksigen secara signifikan mempengaruhi kekasaran permukaan dan saiz butiran. Sampel yang ditanam dengan plasma N₂ tulen (55 pada.% O) mempamerkan kekasaran permukaan setinggi 14.87nm dan struktur kelompok kolumnar bercampur; sebaliknya, sampel yang ditanam dengan plasma N₂/H₂ (~20 pada.% O) menunjukkan kekasaran permukaan kira-kira 1nm dan butir kolumnar biasa berorientasikan paksi c yang sejajar. Analisis taburan saiz bijirin menunjukkan bahawa kepekatan oksigen yang tinggi meningkatkan jejari bijirin purata daripada kira-kira 3nm kepada kira-kira 10nm, menunjukkan bahawa oksigen menggalakkan kekasaran bijirin.

Rajah 4 AFM imej morfologi tiga dimensi filem AlN dengan kepekatan oksigen berbeza: (a–c) 55 pada.% O: struktur campuran kasar; (d–f) 18 pada.% O: butiran kolumnar paksi c licin; (g–i) 20 pada.% O: butiran kolumnar biasa yang serupa

Infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) measurements further reveal the effect of oxygen on lattice vibrations. The sample with an oxygen concentration of ~20 at.% clearly shows E₁(TO) and E₁(LO) phonon modes at frequencies of about 660cm⁻¹ and 910 cm⁻¹, respectively. When the oxygen concentration increases to 55 at.%, these phonon peaks completely disappear, indicating loss of long‑range order and formation of an amorphous AlON phase. In addition, the valence band maximum (VBM) shifts from 2.14eV to 1.47eV as the oxygen concentration decreases, reflecting bandgap narrowing.

Rajah 5 Parameter elipsometri spektroskopi inframerah bagi filem AlN dengan kepekatan oksigen berbeza

2. Resapan Oksigen semasa Penyepuhlindapan Suhu Tinggi: Daya Penggerak untuk Pengurangan Ketumpatan Dislokasi

2.1 Sumber Oksigen dan Laluan Resapan

Untuk filem epitaxial AlN yang ditanam pada substrat nilam, penyepuhlindapan suhu tinggi (1500–1740°C) ialah kaedah yang berkesan untuk mengurangkan ketumpatan terkehel. Cancellara et al. mendapati bahawa selepas penyepuhlindapan, kepekatan oksigen dalam filem AlN meningkat dengan ketara dan membentuk kawasan dataran tinggi yang seragam, dengan kepekatan meningkat daripada ~10¹⁸cm⁻³ kepada ~10²⁰cm⁻³ apabila suhu penyepuhlindapan meningkat. Profil kedalaman SIMS menunjukkan bahawa semua sampel anil mempamerkan tiga kawasan ciri: dataran berhampiran permukaan, kawasan bahu dan kawasan substrat. Kewujudan dataran tinggi tidak dapat dijelaskan dengan resapan pukal mudah - pengiraan menunjukkan bahawa dalam masa sepuh 1 jam, panjang resapan pukal hanya 50-500nm, jauh lebih kecil daripada ketebalan filem, jadi laluan resapan yang lebih pantas mesti wujud.

Rajah 6 Profil kedalaman SIMS Oksigen bagi filem AlN yang ditanam MOVPE yang disepuh pada suhu berbeza

Penulis mencadangkan model hibrid yang menggabungkan resapan paip teras kehelan dan resapan pukal jejarian. Teras kehelan bertindak sebagai laluan resapan pantas; atom oksigen diangkut dengan pantas di sepanjang garis kehelan dan kemudian menjalani resapan pukal jejari daripada teras kehelan ke dalam kekisi sekeliling, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7. Mekanisme ini membolehkan oksigen mengisi keseluruhan filem dalam masa yang agak singkat.

Rajah 7 Diagram skematik resapan paip teras kehelan dan model resapan pukal jejari untuk resapan oksigen

2.2 Pembentukan Kompleks Kekosongan Oksigen-Aluminium

Membandingkan kepekatan oksigen dataran tinggi yang diukur secara eksperimen dengan lengkung keterlarutan teori, data paling sesuai dengan model pampasan yang melibatkan kompleks aluminium‑kekosongan‑dioksigen (V_Al-2O_N), dengan entalpi pembentukan hanya 0.75eV. Ini bermakna pada suhu tinggi, kompleks ini mempunyai kepekatan keseimbangan yang sangat tinggi. Sebaliknya, penggantian oksigen mudah pada tapak nitrogen (O_N) memerlukan tenaga pembentukan melebihi 3eV dan tidak dapat menjelaskan kepekatan oksigen tinggi yang diperhatikan secara eksperimen. Oleh itu, oksigen mesti bergabung dengan kekosongan aluminium untuk membentuk kompleks, sambil mengekalkan paras Fermi berhampiran celah pertengahan.

Rajah 8 Perbandingan purata kepekatan oksigen dataran tinggi eksperimen (petak hitam) dengan lengkung keterlarutan teori

2.3 Pendakian Dislokasi Didorong Oksigen dan Pengurangan Ketumpatan

Transmission electron microscopy (TEM) analysis shows that after annealing, the dislocation density decreases from an initial 2×10¹⁰ cm⁻² to 2×10⁹cm⁻² after annealing at 1700°C. The reduction rate of a‑type dislocations (Burgers vector 1/3〈1120〉) dominates the overall evolution of dislocation density. The dislocation reduction follows a climb‑controlled recovery kinetics model, with a fitted activation energy of 5.4eV, which is much higher than the formation enthalpy of the V_Al-2O_Nkompleks. Ini menunjukkan bahawa langkah mengehadkan kadar untuk pendakian terkehel bukanlah pembentukan kompleks tetapi sama ada penghijrahan kompleks atau proses pendakian itu sendiri.

Rajah 9 imej TEM dan evolusi ketumpatan kehelan filem AlN yang disepuhlindap pada suhu yang berbeza

Oksigen memainkan dua peranan dalam proses ini: pertama, resapan oksigen yang cepat di sepanjang teras terkehel membekalkan kecacatan titik yang diperlukan untuk pendakian; kedua, pembentukan V_Al-2O_Nkompleks mengubah suai medan tekanan tempatan, menggalakkan penghapusan dan penggabungan segmen kehelan. Perlu diingat bahawa walaupun pada kepekatan oksigen yang tinggi (5.5×10²⁰cm⁻³), kepekatan kompleks kekosongan yang terbentuk masih lebih rendah daripada nilai yang diperlukan secara teori, menunjukkan bahawa selain mendaki, mekanisme lain seperti luncuran atau gelinciran silang juga mungkin menyumbang.

3. Kesimpulan

Membandingkan pertumbuhan PEALD suhu rendah dan penyepuhlindapan suhu tinggi, didapati bahawa tingkah laku oksigen dalam AlN mempamerkan pergantungan suhu yang kuat, tetapi juga persamaan intrinsik. Dalam PEALD pada sekitar 200°C, oksigen terutamanya digabungkan sebagai bendasing daripada sisa ruang, dan kepekatannya boleh dikawal oleh plasma H₂ kepada nilai tepu kira-kira 20 pada.%; dalam penyepuhlindapan suhu tinggi melebihi 1500°C, penguraian substrat nilam menjadi sumber oksigen utama, dan oksigen meresap dengan cepat di sepanjang teras kehelan dan membentuk V_Al-2O_Nkompleks, memacu ketumpatan terkehel turun daripada 2×10¹⁰cm⁻² kepada 2×10⁹cm⁻².

Walaupun julat suhu adalah jauh berbeza, interaksi kuat antara oksigen dan kekosongan aluminium adalah ciri biasa dalam kedua-dua proses: semasa pertumbuhan suhu rendah, oksigen menduduki tapak nitrogen dan menarik kekosongan aluminium untuk membentuk kecacatan yang kompleks; semasa penyepuhlindapan suhu tinggi, oksigen bergabung secara langsung dengan kekosongan aluminium untuk membentuk V_Al-2O_NKesamaan ini menunjukkan bahawa mengawal kepekatan dan pengedaran oksigen adalah kunci untuk mencapai kesempurnaan struktur dan prestasi filem nipis AlN yang boleh dikawal.

Sama ada anda memerlukan templat AlN untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].

 

Rujukan:

1. Yan, Q., Lyons, JL, Gordon, L., Janotti, A., & Van de Walle, CG (2025). Kekotoran oksigen dalam AlN dan kesannya terhadap penyerapan optik. Surat Fizik Gunaan, 126(6).
2. Cancellara, L., Markurt, T., Schulz, T., Albrecht, M., Hagedorn, S., Walde, S., … & Sitar, Z. (2021). Peranan resapan oksigen dalam pengurangan kehelan AlN epitaxial pada nilam semasa penyepuhlindapan suhu tinggi. Jurnal Fizik Gunaan, 130(20).