Syrespridningsbeteende och roll i tunna filmer av aluminiumnitrid +

PAM-XIAMEN kan erbjuda AlN-mallar, som odlas på safirsubstrat eller silikonsubstrat. För fler specifikationer, vänligen kontakta vårt säljteam på[email protected]

AlN har ett brett bandgap (6,1 eV), högt kritiskt elektriskt fält och god värmeledningsförmåga, vilket gör det viktigt för djup-ultraviolett ljusemitterande enheter och högeffekts elektroniska enheter. Syre är dock den vanligaste och oundvikliga föroreningen i AlN-tunna filmer, och dess form och koncentration bestämmer direkt materialets elektriska, optiska och strukturella egenskaper. Syrekällan varierar med tillverkningsmetoden: vid lågtemperaturavsättning av atomskikt kommer syre huvudsakligen från prekursorrester eller kammarväggsadsorption; i metallorganisk ångfasepitaxi (MOVPE) och efterföljande högtemperaturglödgning kan syre diffundera från safirsubstratets nedbrytning in i filmen. Att förstå diffusionsbeteendet hos syre under olika förhållanden och dess interaktion med punktdefekter och dislokationer är centralt för att uppnå kontrollerad prestanda av AlN.

1. Syreinkorporering under lågtemperaturtillväxt: PEALD AlN

1.1 Syrekällor och plasmakontroll

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 Effekt av syre på kemisk sammansättning och bindningstillstånd

XPS-djupprofilering avslöjar ytterligare skillnader i syrefördelning mellan ytan och massan av filmerna. Provet som odlats med ren N2-plasma har en bulksyrekoncentration så hög som 55 at.% och en kvävehalt av endast omkring 4 at.%, vilket indikerar allvarlig oxidation av filmen. Däremot har provet som odlats med N₂/H₂-plasma en bulkkoncentration av syre som är stabil vid 18–20 at.%, en kvävehalt på cirka 30 at.% och en aluminiumhalt på cirka 50 at.%, närmare det stökiometriska förhållandet av AlN.

Fig. 2 Yt- och bulkelementsammansättning (at.%) av AlN-filmer under olika N2/H2-flödesförhållanden

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 Effekt av syre på morfologi och fononbeteende

Atomic force microscopy (AFM) morfologianalys visar att syrekoncentrationen signifikant påverkar ytjämnheten och kornstorleken. Provet odlat med ren N₂-plasma (55 at.% O) uppvisar en ytjämnhet så hög som 14,87 nm och en blandad kolonnklusterstruktur; däremot visar provet som odlats med N₂/H₂-plasma (~20 at.% O) en ytjämnhet på cirka 1 nm och välinriktade c‑axelorienterade regelbundna kolonnformade korn. Analys av kornstorleksfördelning indikerar att hög syrekoncentration ökar medelkornradien från cirka 3 nm till cirka 10 nm, vilket tyder på att syre främjar kornens förgrovning.

Fig. 4 AFM tredimensionella morfologibilder av AlN-filmer med olika syrekoncentrationer: (a–c) 55 at.% O: grov blandad struktur; (d–f) 18 at.% O: släta pelarkorn på c-axeln; (g–i) 20 at.% O: liknande regelbundna kolonnformade korn

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.

Fig. 5 Infrarödspektroskopiska ellipsometriparametrar för AlN-filmer med olika syrekoncentrationer

2. Syrediffusion under högtemperaturglödgning: Drivkraft för minskning av dislokationsdensitet

2.1 Syrekällor och diffusionsvägar

För AlN epitaxiella filmer odlade på safirsubstrat är högtemperaturglödgning (1500–1740 °C) en effektiv metod för att minska dislokationsdensiteten. Cancellara et al. fann att efter glödgning ökar syrekoncentrationen i AlN-filmer signifikant och bildar en enhetlig platåregion, med koncentrationen som ökar från ~10¹⁸cm⁻³ till ~10²⁰cm⁻³ när glödgningstemperaturen stiger. SIMS djupprofiler visar att alla glödgade prover uppvisar tre karakteristiska regioner: en platå nära ytan, en skulderregion och en substratregion. Platåns existens kan inte förklaras med enkel bulkdiffusion – beräkningar visar att inom en 1-timmes glödgning är bulkdiffusionslängden endast 50–500 nm, mycket mindre än filmtjockleken, så snabbare diffusionsvägar måste finnas.

Fig. 6 Oxygen SIMS-djupprofiler av MOVPE-odlade AlN-filmer glödgade vid olika temperaturer

Författarna föreslår en hybridmodell som kombinerar dislokationskärnrördiffusion och radiell bulkdiffusion. Dislokationskärnor fungerar som snabba diffusionsvägar; syreatomer transporteras snabbt längs dislokationslinjer och genomgår sedan radiell bulkdiffusion från dislokationskärnorna in i det omgivande gittret, såsom visas i fig. 7. Denna mekanism tillåter syre att fylla hela filmen inom en relativt kort tid.

Fig. 7 Schematiskt diagram över dislokationskärnrörets diffusionsmodell och radiell bulkdiffusionsmodell för syrediffusion

2.2 Bildning av vakanskomplex med syre-aluminium

Genom att jämföra de experimentellt uppmätta platåsyrekoncentrationerna med teoretiska löslighetskurvor överensstämmer data bäst med en kompensationsmodell som involverar aluminium-vakans-dioxygenkomplex (V_al-2O_N), med en formationsentalpi på endast 0,75 eV. Detta betyder att vid höga temperaturer har dessa komplex en mycket hög jämviktskoncentration. Däremot enkel syresubstitution på kväveplatser (O_N) kräver en bildningsenergi över 3eV och kan inte förklara de experimentellt observerade höga syrekoncentrationerna. Därför måste syre kombineras med lediga utrymmen i aluminium för att bilda komplex, samtidigt som Fermi-nivån hålls nära mitten av gapet.

Fig. 8 Jämförelse av experimentella genomsnittliga platåsyrekoncentrationer (svarta rutor) med teoretiska löslighetskurvor

2.3 Syredriven dislokationsklättring och densitetsminskning

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_Nkomplex. Detta indikerar att det hastighetsbegränsande steget för dislokationsklättring inte är bildningen av komplexet utan antingen migreringen av komplexet eller själva klättringsprocessen.

Fig. 9 TEM-bilder och dislokationsdensitetsutveckling av AlN-filmer glödgade vid olika temperaturer

Syre spelar en dubbel roll i denna process: för det första ger den snabba diffusionen av syre längs dislokationskärnor de punktdefekter som krävs för klättring; för det andra bildandet av V_al-2O_Nkomplex modifierar det lokala stressfältet, främjar förintelse och sammansmältning av dislokationssegment. Det är värt att notera att även vid höga syrekoncentrationer (5,5×10²⁰cm⁻³) är koncentrationen av bildade vakanskomplex fortfarande lägre än det teoretiskt erforderliga värdet, vilket tyder på att förutom klättring kan andra mekanismer som glidning eller tvärglidning också bidra.

3. Slutsats

Genom att jämföra lågtemperatur-PEALD-tillväxt och högtemperaturglödgning visar det sig att beteendet hos syre i AlN uppvisar ett starkt temperaturberoende, men också inneboende gemensamma drag. I PEALD vid cirka 200°C inkorporeras syre huvudsakligen som en förorening från kammarrester, och dess koncentration kan kontrolleras av H2-plasma till ett mättnadsvärde av cirka 20 at.%; vid högtemperaturglödgning över 1500°C blir sönderdelningen av safirsubstratet den huvudsakliga syrekällan och syre diffunderar snabbt längs dislokationskärnor och bildar V_al-2O_Nkomplex, vilket driver ned dislokationstätheten från 2×10¹⁰cm⁻² till 2×10⁹cm⁻².

Även om temperaturområdena är mycket olika, är den starka växelverkan mellan syre- och aluminiumvakanser en gemensam egenskap i båda processerna: under lågtemperaturtillväxt upptar syre kväveplatser och lockar till aluminiumvakanser för att bilda komplexa defekter; under högtemperaturglödgning kombineras syre direkt med aluminiumvakanser för att bilda V_al-2O_NDenna gemensamhet indikerar att kontroll av koncentrationen och distributionen av syre är nyckeln till att uppnå strukturell perfektion och kontrollerbar prestanda hos AlN-tunna filmer.

Oavsett om du behöver AlN-mallar för forskning eller industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Yan, Q., Lyons, JL, Gordon, L., Janotti, A., & Van de Walle, CG (2025). Syreföroreningar i AlN och deras inverkan på optisk absorption. Applied Physics Letters, 126(6).
2. Cancellara, L., Markurt, T., Schulz, T., Albrecht, M., Hagedorn, S., Walde, S., … & Sitar, Z. (2021). Syrediffusionens roll i dislokationsreduktionen av epitaxiellt AlN på safir under högtemperaturglödgning. Journal of Applied Physics, 130(20).