Geri Dön

Plasma-assisted atomic layer deposition of III-nitride thin films

III-nitrür ince filmlerin plazma-destekli atomik katman biriktirme yöntemi ile büyütülmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 352026
  2. Yazar: ÇAĞLA AKGÜN
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. NECMİ BIYIKLI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Alüminyum nitrür, Galyum nitrür, Yarı iletken ince filmler, atomic layer deposition, aluminum nitride, gallium nitride, in- dium nitride, thin lm, digital alloying, plasma-related oxygen contamina- tion, inductively coupled plasma, hollow cathode plasma, hollow nano ber, template-based synthesis, trimethylaluminum, triethylgallium, trimethylgallium, trimethylindium, cyclopentadienyl indium, ammonia, nitrogen, hydrogen, Semiconductor thin films
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

III-nitrür bileşik yarı iletkenler ve alaşımları geniş bir elektronik ve optoelektronik cihaz uygulama yelpazesi için çok yönlü ve yüksek performanslı malzemeler olarak ortaya çıkmıştır. Ayrı ayrı çok benzersiz malzeme özelliklerine sahip olmalarının yanı sıra, III-nitrür ailesinin vürtzit (hekzagonal) kristal yapıya sahip üyeleri, AlN, GaN ve InN için sırasıyla 6.2, 3.4 ve 0.64 eV olan değerlerle geniş bir mezili kapsayan direkt bant aralıkları sergilerler. Bu bakımdan, bu ailenin üçlü ve dörtlü alaşımları, bant aralıkları alaşım bileşimi ile kolayca ayarlanabildiği için, özellikle önemlidir. Yüksek kaliteli III-nitrür ince filmler yüksek sıcaklıklarda (>1000 oC) kayda değer hızlar ile büyütülebiliyor olsada, bu filmlerin sıcaklığa duyarlı cihaz katmanları ve alttaşlar üzerine biriktirilmesi atomik katman biriktirme (AKB) gibi düşük sıcaklıklarda gerçekleşen yöntemlerin adaptasyonunu gerektirmektedir. AKB, alttaş yüzeyinin iki ya da daha çok öncü maddenin arındırma periyotları ile ayrılmış ardışık atımlarına maruz bırakıldığı özel bir kimyasal buhar biriktirme türüdür. Diğer düşük sıcaklık ince film biriktirme teknikleriyle karşılaştırıldığında, AKB, son derece muntazam ve konformal ince filmlerin angstrom-altı kalınlık kontrolü ile biriktirilmesini sağlayan, kendi kendini sınırlayan büyütme mekanizması ile dikkat çeker. Üstelik, film bileşiminin alt döngülerin nispi sayısı ile dijital olarak kontrol edildiği alaşım ince filmler de AKB ile kolayca biriktirilebilmektedir. Bu tezde, III-nitrürler için plazma-destekli AKB (PD-AKB) işlemlerinin geliştirilmesini rapor etmekte, biriktirilen ince filmler ve üretilen nanoyapılar için detaylı karakterizasyon sonuçları sunmaktayız. Polikristal vürtzit AlN ince filmlerin PD-AKB yöntemi ile büyütülmesi 100 ile 500 oC arasında değişen sıcaklıklarda, trimetilalüminyum (AlMe3) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. AKB penceresi içerisinde kalan sıcaklıklarda (amonyak (NH3) ve N2/H2 plazma işlemlerinin her ikisi için de 100-200 oC) büyütülen filmlerin karbonsuz olduğu ve nispeten düşük O konsantrasyonları (<3 at.%) içerdiği belirlenmiştir. AlMe3-NH3 plazma işleminin konformalitesi, elektro lif çekimi yöntemi ile elde edilmiş naylon nanolif matrislerin tükenir şablonlar şeklinde kullanılmasyla üretilen yüksek yüzey alanına sahip içi boş AlN nanolifler aracılığıyla gösterilmiştir. GaN ve InN biriktirmek için gösterdiğimiz ilk çabalar yüksek O konsantrasyonlarına sahip ince filmler ile sonuçlanmıştır. Başta bu bulaşımın en olası kaynağı, daha ileri bir saflaştırma işlemine tabi tutulmadan kullanılan 5N kaliteye sahip NH3 gazındaki O içeren safsızlıklar olarak varsayılmış olsada, daha sonraki deneyler gerçek kaynağın endüktif eşleşmiş RF-plazma (EEP) kaynağında bulunan kuvars tüp olduğunu ortaya koymuştur. Bu şartlar altında, N içeren plazma gazının (NH3, N2/H2 ya da N2) seçimi oksijenin PD-AKB ile biriktirilmiş AlN ve GaN filmlerin içine dahil olma şiddetini belirlemiştir. Plazmaya bağlı oksijen bulaşımını tamamen engelleme çabası olarak, AKB sisteminin orijinal kuvars esaslı EEP kaynağı paslanmaz çelik oyuk katod plazma (OKP) kaynağı ile değiştirilmiş; bu sayede düşük safsızlık konsantrasyonlarına (O, C <1 at.%) sahip AlN, GaN ve AlxGa1−xN kristal ince filmler AlMe3 and trimetilgalyum (GaMe3) kullanılarak düşük sıcaklıklarda oyuk katod PD-AKB (OKPD-AKB) yöntemi ile büyütülmüştür. AlxGa1−xN filmlerin optik bant kenarı değerlerinin artan Al içeriği ile düşük dalga boylarına kayması bant kenarı değerlerinin alaşım bileşimi ile ayarlanabildiğini belirtmektedir. InN filmlerin OKPD-AKB ile büyütülmesi de bu çalışma kapsamında incelenmiş, elde edilen ilk sonuçlar siklopentadienil indiyum (CpIn) kullanılarak tek fazlı vürtzit InN ince filmlerin büyütülebilme ihtimali olduğunu ortaya çıkarmıştır. Anahtar s ozc ukler: atomik katman biriktirme, al uminyum nitr ur, galyum nitr ur, indiyum nitr ur, ince lm, dijital ala s mlama, plazmaya ba gl oksijen bula s m , end uktif e sle smi s plazma, oyuk katod plazma, i ci bo s nanolif, sablona dayal sen- tez, trimetilal uminyum, trietilgalyum, trimetilgalyum, trimetilindiyum, siklopen- tadienil indiyum, amonyak, nitrojen, hidrojen

Özet (Çeviri)

III-nitride compound semiconductors and their alloys have emerged as versatile and high-performance materials for a wide range of electronic and optoelectronic device applications. Besides possessing very unique material properties individually, members of the III-nitride family with wurtzite (hexagonal) crystal structure also exhibit direct band gaps, which cover a wide range with values of 6.2, 3.4 and 0.64 eV for AlN, GaN and InN, respectively. In this respect, ternary and quaternary alloys of this family are particularly important since their bandgaps can easily be tuned by adjusting the alloy composition. Although high quality III-nitride thin films can be grown at high temperatures (>1000 oC) with significant rates, deposition of these films on temperature-sensitive device layers and substrates necessitates the adaptation of low-temperature methods such as atomic layer deposition (ALD). ALD is a special type of chemical vapor deposition, in which the substrate surface is exposed to sequential pulses of two or more precursors separated by purging periods. When compared to other low-temperature thin film deposition techniques, ALD stands out with its self-limiting growth mechanism, which enables the deposition of highly uniform and conformal thin films with sub-angstrom thickness control. Moreover, alloy thin films can be easily deposited by ALD, where film composition is digitally controlled by the relative number of subcycles. In this thesis, we report on the development of plasma-assisted ALD (PA-ALD) processes for III-nitrides, and present detailed characterization results for the deposited thin films and fabricated nanostructures. PA-ALD of polycrystalline wurtzite AlN thin films was realized at temperatures ranging from 100-500 oC using trimethylaluminum (AlMe3) as the Al precursor. Films deposited at temperatures within the ALD window (100-200 oC for both ammonia (NH3) and N2/H2 plasma processes) were C-free and had relatively low O concentrations (<3 at.%). We also demonstrated the conformality of AlMe3-NH3 plasma process by fabricating high surface area AlN hollow nanofibers using electrospun nylon nanofiber mats as sacrificial templates. Our initial efforts for depositing GaN and InN resulted in thin films with high O concentrations. Although - at first - the most probable source of this contamination was presumed as the O-containing impurities in the unpurified 5N-grade NH3 gas, subsequent experiments revealed the true source as the quartz tube of inductively coupled RF-plasma (ICP) source itself. In view of these circumstances, the choice of N-containing plasma gas (NH3, N2/H2 or N2) determined the severity of O incorporation into AlN and GaN films deposited by PA-ALD. As an effort to completely avoid this plasma-related oxygen contamination problem, we replaced the original quartz-based ICP source of the ALD system with a stainless steel hollow cathode plasma (HCP) source. Thereby we demonstrated the low-temperature hollow cathode PA-ALD (HCPA-ALD) of crystalline AlN, GaN and AlxGa1−xN thin films with low impurity concentrations (O, C <1 at.%) using AlMe3 and trimethylgallium (GaMe3) as the Al and Ga precursors, respectively. Optical band edge values of the AlxGa1−xN films shifted to lower wavelengths with the increasing Al content, indicating the tunability of band edge values with alloy composition. HCPA-ALD of InN was also investigated within the scope of this study. Initial results revealed the possibility to obtain single-phase wurtzite InN thin films using cyclopentadienyl indium (CpIn) as the In precursor.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    606733

    Optical properties of group III-nitride thin films grown by hollow cathode plasma assisted atomic layer deposition

    Oyuk katot plazma destekli atomik katman biriktirme yöntemi ile büyütülen grup III-nitrür ince filmlerinin optik özellikleri

    NEŞE GÜNGÖR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ALEVLİ

  2. Tez No

    392041

    Investigation of photodetectors based on III-nitride and metal oxide thin films deposited by atomic layer deposition

    Atomik katman kaplama tekniği ile III-nitrür ve metal-oksit bileşik temelli fotodedektörlerin araştırılması

    BURAK TEKCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY

  3. Tez No

    472888

    Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD

    III-nitratların ve metal oksitlerin atomik katman kaplamısı; bunların alan seçici ALD`deki uygulamaları

    ALI HAIDER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    Assist. Prof. AYKUTLU DANA

    DR. NECMİ BIYIKLI

  4. Tez No

    350557

    Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile tantal katkılı elmas benzeri karbon film üretimi ve karakterizasyonu

    Production of tantalum doped diamond-like carbon film by means of plasma assisted chemical vapor deposition and its characterisation

    NİLÜFER ORHON

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI

  5. Tez No

    374375

    Electrical properties and device applications of atomic layer deposited ZnO and GaN thin films

    Atomik katman kaplama metoduyla büyütülen ZnO ve GaN ince filmlerin elektriksel özellikleri ve aygıt uygulamaları

    SAMİ BOLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY

Geri Dön