Optical properties of group III-nitride thin films grown by hollow cathode plasma assisted atomic layer deposition - Güngör, Neşe (My University, 2019)
Düşük sıcaklıkta oyuk katodlu plazma destekli atomik tabaka biriktirme (HCPA-ALD) tarafından büyütülen grup III-Nitrit ince filmlerin özellikleri, biriken ince filmler için detaylı karakterizasyon sonuçlarıyla sunulmaktadır. Bu bağlamda, önce, film kalınlığı ve substratın düşük sıcaklıkta yetiştirilen GaN ince filmin özellikleri üzerindeki etkisini analiz ettik. Bu amaca yönelik olarak, Si alttaşı için kalınlığı 5.37 ile 81.40 nm arasında ve sapphire altaşı için kalınlığı 6.57 nm ile 84.35 nm arasında yüksek (002) yönelimine sahip GaN filmleri sıralı bir trietilguyum (TEG) ve N2/ H2 plazması enjeksiyonu kullanılarak büyütülmüştür. X ışını kırınımı (XRD) analizi, GaN filmlerinin (002) tercihli bir büyüme yönüne sahip olduğunu ve GaN filmlerinin kristal kalitesinin her iki alttaş için kalınlığın artmasıyla arttığını gösterdi. XRD ve atomik kuvvet mikroskopisi, GaN tanelerinin varlığını doğruladı ve Si üzerindeki GaN katmanının kalınlığı 5.37 nm'den 48.65 nm'ye yükseldiğinde tane büyüklüğü arttığını gösterdi. X ışını fotoelektron spektrumundan, GaN filminde bulunan oksijen miktarının, kalınlık arttıkça azaldığı gösterilmiştir.Spektroskopik elipsometri analizi, optik film yoğunluğunun ve lokal kristalliğin, film kalınlığının artmasıyla arttığını ortaya koymaktadır, ancak film kalınlığındaki artışın, tüm GaN örnekleri için bu özellikleri iyileştirmediği görülmektedir. Bulgularımız, film kalınlığının kırılma indeksi üzerinde 300-1000 nm dalga boyu aralığında önemli etkilere sahip olduğunu ancak alttaşın önemli bir etkisinin olmadığını göstermektedir. Ayrıca, optik bant aralığı sonuçları, bant aralığı genişletmenin tüm HCPA-ALD ile büyütülen GaN örnekleri için geçerli olduğunu göstermiştir. Öte yandan, kızılötesi spektroskopik elipsometri (IRSE) kullanılarak elde edilen kızılötesi bölgedeki kırılma indisi, artan kalınlıkta belirgin olarak değişmemektedir. Ayrıca, kızılötesi elipsometrenin sonuçlarını Raman spektrumları ile karşılaştırarak E1(TO), E1(LO), A1(LO), and E_2^High fonon modlarını tespit edilmiştir. Frekanslarının GaN filmlerin stres durumuna bağımlılıkları da analiz edilmiş ve tartışılmıştır.İkinci bölümde, plazma gazı bileşiminin, birikmiş ikili III-nitrit ince filmlerin özellikleri üzerindeki etkisini analiz ettik. Bu amaç için, AlN, GaN ve InN filmleri, H2 akışının etkilerini araştırmak için sadece N2 (50 smcm) ve N2 / H2 (50 + 50 smcm, 50 + 25 smcm) plazma kullanılarak Si (100) altaşı üzerine büyütülmüştür. N2/ H2 plazması ile büyütülen AlN ve GaN ince filmlerinin düşük açılı XRD (GIXRD) desenleri, H2 akışı 50'den 25 sccm'ye düştüğünde neredeyse değişmeden kaldı. Diğer taraftan, H2 olmadan N2 plazmasının kullanılması, bulk film içinde önemli karbon safsızlığı olan amorf GaN ince filmlere yol açtı. AlN durumunda, kristal yapı amorf benzeri malzemeye önemli ölçüde değiştirildiği için benzer davranışlar gözlenmiştir. AlN ve GaN ince filmlerin kalınlıkları, sadece N2 plazma gazı olarak kullanıldığında muazzam bir artış gösterdi. Ayrıca, hem AlN hem de GaN filmlerin kırılma endeksi değerleri, sadece N2-plazma kullanımında azalmıştır; ki bu, film kalitesinin bozulmasını onaylamaktadır. Yalnızca N2 plazma ile biriktirilen GaN ve AlN filmlerinin yapısal zayıflıkları, büyüyen film içinde sıkışan karbon kirliliklerinin varlığı nedeniyledir. İlginç bir şekilde, N2/ H2 plazma ile büyütülmüş InN filmlerinde benzer sonuçlar gözlemlemedik. InN için, GIXRD ve spektroskopik elipsometri sonuçları, plazma gazında H2 içeriği arttıkça biriken filmlerin fazlarının InN'den In + InN'ye değiştiğini göstermektedir. Öte yandan, sadece N2-plazma ile yetiştirilen InN filmler gelişmiş yapısal özellikler göstermektedir. Bununla birlikte, biriken InN katmanlarındaki kalıntı karbon içeriğini en aza indirmek için önemli ölçüde daha yüksek N2 plazma maruziyet sürelerine ihtiyaç vardır.

In this thesis, properties of group III-Nitride thin films grown by hollow-cathode plasma-assisted atomic layer deposition (HCPA-ALD) at low temperature are presented with detailed characterization results for the deposited thin films. In this respect, first, we analyzed the effect of film thickness and substrate on properties of low-temperature grown GaN thin film. Towards this goal, highly oriented (002) GaN films as a function of film thickness, ranging from 5.37 to 81.40 nm on Si and 6.57 nm to 84.35 nm on sapphire substrate deposited using a sequential injection of triethylgallium (TEG) and N2/ H2 plasma. X-ray diffraction (XRD) analysis reveals that GaN films have a (002) preferential growth direction fand the crystalline quality of GaN films was improved with the increase of thickness for both substrates. XRD and atomic force microscopy confirmed the presence of GaN grains and the grain size increases when the thickness of GaN layer on Si increases from 5.37 nm to 48.65 nm. From the x-ray photoelectron spectra, it was shown that the amount of oxygen incorporated in the GaN film decreases as the thickness increases. The spectroscopic ellipsometry analysis reveals that optical film density and local crystallinity was improved with increasing film thickness, but further increase in the film thickness does not seem to improve these features for all GaN samples. Our findings show that film thickness has significant effects on the refractive index in the wavelength range of 300-1000 nm, but the substrate has no significant effect. Moreover, the optical band edge results suggested that bandgap widening is valid for all HCPA-ALD grown GaN samples. On the other hand, the refractive index in the infrared region obtained using infrared spectroscopic ellipsometry (IRSE) does not obviously change with increasing thickness. Moreover, we have identified E1(TO), E1(LO), A1(LO), and E_2^High phonon modes by comparing the results of infrared ellipsometry with Raman spectra. The dependencies of their frequencies on the stress state of GaN films were analyzed and discussed. In the second part, we analyzed the effect of plasma gas composition on the properties of deposited binary III-nitride thin films. For this purpose, AlN, GaN, and InN films were deposited on Si (100) substrates using N2-only (50 sccm), as well as N2/ H2 (50+50 sccm, 50+25 sccm) plasma to investigate the impact of H2 flow. Grazing-incidence XRD (GIXRD) patterns of AlN and GaN thin films deposited with N2/ H2 plasma remained almost unchanged when H2 flow decreased from 50 to 25 sccm. On the other hand, the use of N2 plasma without any H2 resulted in amorphous GaN thin films with significant carbon impurity within the bulk film. In the case of AlN, similar behavior was observed as the crystal structure is significantly altered to amorphous-like material. Thicknesses of AlN and GaN thin films increased tremendously when N2-only was used as the plasma gas. Furthermore, refractive index values of both AlN and GaN films decreased upon the use of N2-only plasma, which confirms the deterioration of the film quality. Structural weaknesses of GaN and AlN films deposited with N2-only plasma are due to the presence of carbon impurities that are trapped inside the growing film. Interestingly, we did not observe similar results in InN films grown with N2/ H2 plasma. For InN, GIXRD and spectroscopic ellipsometry results show that the phases of deposited films change from InN to In+InN as H2 content in the plasma gas is increased. On the other hand, InN films grown with N2-only plasma show improved structural properties. However, significantly higher N2 plasma exposure times are needed to minimize the residual carbon content in deposited InN layers.
Keywords: aluminum nitride; Aluminyum nitrür; Atomik katman biriktirme; Fizik; Gallium nitride; Galyum nitrür; indium nitride; İndiyum nitrür; Physics; spectroscopic ellipsometry; Spektroskopik elipsometry Atomic layer deposition