Plazma ile etkilendirilmiş atomik katman büyütme yöntemi ile büyütülen AlN ince filmlerin optik özellikleri
Optical properties of AlN thin films grown by plasma enhanced atomic layer deposition
Yazar: NEŞE GÜNGÖR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ALEVLİ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: FTIR = FTIR ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy ; X ışını kırınımı = X ray diffraction

Özet:
Aluminyum nitrat (AlN) ince filmleri Si(100), safir ve kuartz alttaşları üzerine plazma ile etkilendirilmiş atomik katman kaplama yöntemiyle büyütülmüştür. ~100 nm AlN katmanları 100 °C- 500 °C sıcaklıkları arasında ve farklı kalınlığa sahip AlN filmleri ise 185 °C sıcaklığında büyütülmüştür. Büyütülen filmlerin düşük açılı x-ışını difraksiyonu (GIXRD), x-ışını kırınımı (Gonio), Fourier dönüşümlü x-ışını spektroskopisi (FTIR), x-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), spektroskopik elipsometre, optik geçirgenlik ve soğurma spektroskopisi kullanılarak karakterizasyonları yapılmıştır.
Bu çalışmada, büyütülen AlN filmlerine ait farklı dalga boylarında kırılma indisleri, dielektrik sabiti, optik bant aralığı ve film kalınlığını elde etmek için, deneysel optik geçirgenlik ve spektroskopik elipsometre datalarının transfer matris metodu kullanılarak modellemesi yapılmıştır. Artan büyüme süresi ve büyüme sıcaklığı ile film şeffaflığının azaldığını ve 633 nm?de kırılma indisinin sırasıyla, 1.89-1.95 ve 1.86-2.05 değerlerini alarak arttığı gözlenmiştir. Hesaplama sonuçları ve soğurma spekroskopisinin analizlerinin her ikisi de büyüme sıcaklığı ile optik bant aralığının 5.82?den 5.88?e arttığını ve film kalınlığı ile 5.9?dan 5.54?e azaldığını göstermektedir.
Kızılötesi yansıma spektrumu 660 cm-1 dalga sayısında elde edilen E1(TO) fonon modlarının varlığını doğrulamıştır. Buna ilaveten, E1(TO) modunun film kalınlığı ve büyüme sıcaklığı ile daha düşük dalga sayısına doğru ilerlediğini ve 645-675 cm-1 arasında olduğu gözlemlenmiştir. XPS analizleri 73.5 ±0.1 eV bağlanma enerjisinde temel Al-N bağına ilaveten, 396.3±0.3 eV değerinde Al?O?N, ~74.5 eV değerinde Al?O komplekslerini ve 72.4±0.1 eV değerinde de Al-Al metalik alimunyum bağını içerdiğini göstermektedir.

Abstract:
Aluminum nitride (AlN) thin films were grown on pre-cleaned Si (100), sapphire and quartz substrates via plasma enhanced atomic layer deposition. ~100 nm thick AlN layers were deposited at temperatures ranging from 100 to 500°C and deposition of AlN films with different layer thicknesses done at 185 ?C. Deposited films were characterized by using grazing-incidence x-ray diffraction (GIXRD), x-ray diffraction XRD (Gonio), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), x-ray photoelektron spectroscopy (XPS), spectroscopic ellipsometry, optical transmittance and optical absorption spectroscopy.
In this study, to determine refractive index with different wavelenght, dielectric constant, optical band edge and film thicknesses of deposited AlN films, experimental optical transmittance and spectroscopic ellipsometry data were modelled by using transfer matrix method. We observed that by increasing deposition time and also with increasing growth temperature, the film transparency decreased and the refractive index values at 633 nm increased by taking values 1.89-1.95 and 1.86-2.05, respectively. Both calculated results and analysis of the absorption spectroscopy show that optical band edge increased from 5.82 eV to 5.88 eV with growth temperature and decreased from 5.9 eV to 5.54 eV with film thickness.
Infrared reflectance spectra confirmed the presence of E1(TO) at 660 cm-1. Moreover, we observed that E1(TO) mode moved towards lower wave numbers with both film thickness and growth temperature and were in the range of 645-675 cm-1. XPS analyses indicated that besides main Al?N bond at 73.5 ±0.1 eV , the films contained Al?O?N at 396.3±0.3 eV, Al?O complexes at ~74.5 eV, and Al?Al metallic aluminum bonds at 72.4±0.1 eV as well.