The structure and electrophysical properties of nanocrystalline AlN layers grown on silicon by reactive magnetron sputtering

Abstract

В работе исследовались пленки AlN на n-Si (100) подложке, напыленные методом реактивного магнетронного распыления на переменном токе. Была установлена корреляция между структурой и электрофизическими свойствами, в зависимости от толщины напыленных плёнок. Строение пленок исследовалось с помощью сканирующей (SEM) и просвечивающей (TEM) электронной микроскопии. Электрофизические свойства пленок изучались при помощи структур Au-AlN-(n-Si) методами вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и методом DLTS. Верхний слой пленки являлся нанокристаллическим, и состоял как из зерен AlN типа вюрцит, так и кубических нанокристаллов AlON. Пленки AlN содержали отрицательный объемный заряд с концентрацией порядка 2.5*10^12 см^-2. На интерфейсе AlN-(n-Si) были обнаружены две группы ловушек. Первая группа имела энергию активации вблизи 0.35 эВ и плотность состояний порядка 4*10^11 sm^-2. Для другой группы энергия активации лежала в диапазоне 0.5-0.6 эВ а плотность состояний имела величину порядка 3*10^12 см^-2. Вероятно, ловушки первой группы располагались в аморфном слое, тогда как ловушки второй группы по-видимому располагались на границах раздела аморфной и кристаллической фаз.

AlN films of different thicknesses were deposited on n-Si (100) substrates by reactive radio frequency (rf) magnetron sputtering. Correlations between structures and electrical properties on thickness of deposited films were researched. The structures of the films were analyzed with scanning electron microscopy (SEM) and with transmitting electron microscopy (TEM). Electrical properties of the films were investigated with Au-AlN-(n-Si) structures by means of current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and deep level transient spectroscopy (DLTS) techniques. Electron microscopy investigations had shown that structure and chemical composition of the films were thickness stratified. Near silicon surface layer was amorphous with high oxygen content. Upper layers were nanocrystalline ones consisted of both wurzite AlN and cubic AlON nanocrystals. The AlN films contained negative volume charges with concentration of about 2.5*10^12 sm^-2. Two groups of deep traps were founded on the interface between AlN film and n-Si substrate. One of these had activation energy of 0.3 eV and surface density of 4*10^11 sm^-2 and activation energies of other lied in range of 0.5-0.6 eV and surface density was of 3*10^12 sm^-2. Presumably the first traps were located in amorphous layer and the second ones were located on interface between amorphous and crystalline phase.