ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НИТРИДА АЛЮМИНИЯ НА САПФИРОВЫЕ ПОДЛОЖКИ

Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования морфологии поверхности, структурных и оптических свойств тонких пленок AlN на сапфире, полученных методом импульсного лазер- ного напыления. Метод. Получение пленок AlN осуществлялось с применением комбинированной установки ионно-лучевого и импульсного лазерного распыления вращающейся алюминиевой мишени твердотельным лазером AYG:Nd³⁺ с длиной волны 532 нм в атмосфере азота при давлении 3 и 4 Па. Плотность энергии лазерного импульса составляла 4 Дж/см2 при длительности импульса 15 нс и частоте повторения импульсов 15 Гц, расстояние от поверхности мишени до сапфировой подложки — 50 мм, температура подложки — 600 °C. Основные результаты. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа установлено, что пленки AlN, полученные при давлении азота в вакуумной камере 4 Па, имеют состав более близкий к стехиометрическому, чем пленки AlN, полученные при давлении азота в вакуумной камере 3 Па. Методом оптической спектроскопии исследованы спектры пропускания исследуемых образцов. Определено, что максимальные значения коэффициента светопропускания пленок AlN, полученных при давлении азота в вакуумной камере 3 и 4 Па (95,12 % и 97,65 % соответственно) находятся в диапазоне длин волн 400–410 нм. Величина коэффициентов светопропускания в исследованном диапазоне длин волн 300–1100 мкм составляет не менее 87 %, что характеризует полученные образцы пленки как оптически прозрачные. Практическая значимость. Исследованные тонкие пленки AlN можно использовать в качестве буферного слоя в оптоэлектронных устройствах, в том числе при создании светодиодов на основе GaN и Al_xGa_1–xN коротковолнового видимого свечения и приборов белого свечения

1. Li H., Lu X., Li X., Zhang J., Hao Y. High quality transferable AlN thin film by PLD // Journal of Physics: Conference Series. 2017. V. 864. P. 012011. doi: 10.1088/1742-6596/864/1/012011
2. Grandusky J.R., Randive R.V., Jordan T.C., Schowalter L.J. Fabrication of high performance UVC LEDs on aluminum-nitride semiconductor substrates and theirpotential application in point-of-use water disinfection systems // Springer Series in Materials Science. 2016. V. 227. P. 171–192. doi: 10.1007/978-3-319-24100-5_7
3. Akasaki I., Amano H. Organometallic vapor-phase epitaxy of gallium nitride for high-brightness blue light-emitting diodes // Semiconductors and Semimetals. 1997. V. 48. P. 357–390. doi: 10.1016/S0080-8784(08)62408-4
4. Dallaeva D., Ţălu Ş., Stach S., Škarvada P., Tománek P., Grmela L. AFM imaging and fractal analysis of surface roughness of AlN epilayers on sapphire substrates // Applied Surface Science. 2014. V. 312. P. 81–86. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.05.086
5. Qin M.L., Du X., Li Z., Humail I.S., Qu X. Synthesis of aluminum nitride powder by carbothermal reduction of a combustion synthesis precursor // Materials Research Bulletin. 2008. V. 43. N 11. P. 2954‒2960. doi: 10.1016/j.materresbull.2007.12.008
6. Belyanin A.F., Bouilov L.L., Zhirnov V.V., Kamenev A.I., Kovalskij K.A., Spitsyn B.V. Application of aluminum nitride films for electronic devices // Diamond and Related Materials. 1999. V. 8. N 2‒5. P. 369‒372. doi: 10.1016/S0925-9635(98)00412-9
7. Kroke E., Loeffler L., Lange F.F., Riedel R. Aluminum nitride prepared by nitridation of aluminum oxide precursors // Journal of the American Ceramic Society. 2002. V. 85. N 12. P. 3117‒3119. doi: 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00595.x
8. Natesan K., Reed C.B., Rink D.L., Haglund R.C. Development and performance of aluminum nitride insulating coatings for application in a lithium environment // Journal of Nuclear Materials. 1998. V. 258-263. Part. 1. P. 488‒494. doi: 10.1016/S0022-3115(98)00370-5
9. Kim J., Pyeon J., Jeon M., Nam O. Growth and characterization of high quality AlN using combined structure of low temperature buffer and superlattices for applications in the deep ultraviolet // Japanese Journal of Applied Physics. 2015. V. 54. N 8. P. 081001. doi: 10.7567/JJAP.54.081001
10. Sun C.J., Kung P., Saxler A., Ohsato H., Haritos K., Razeghi M. A crystallographic model of (00·1) aluminum nitride epitaxial thin film growth on (00·1) sapphire substrate // Journal of Applied Physics. 1994. V. 75. N 8. P. 3964–3967. doi: 10.1063/1.356017
11. Lunin L.S., Devitskii O.V., Sysoev I.A., Pashchenko A.S., Kas’yanov I.V., Nikulin D.A., Irha V.A. Ion-beam deposition of thin AlN films on Al2O3 substrate // Technical Physics Letters, 2019, V. 45, N 12, P. 1237–1240. doi: 10.1134/S106378501912023X
12. Vispute R.D., Wu H., Narayan J. High quality epitaxial aluminum nitride layers on sapphire by pulsed laser deposition // Applied Physics Letters. 1995. V. 67. N 11. P. 1549–1551. doi: 10.1063/1.114489
13. Pantha B.N., Li J., Lin J.-Y., Jiang H.X. Single phase In_xGa_1−xN (0.25 ≤ x ≤ 0.63) alloys synthesized by metal organic chemical vapor deposition // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. N 18. P. 182107. doi: 10.1063/1.3006432
14. Wang W., Yang W., Liu Z., Wang H., Wen L., Li G. Interfacial reaction control and its mechanism of AlN epitaxial films grown on Si(111) substrates by pulsed laser deposition // Scientific Reports. 2015. V. 5. P. 11480. doi: 10.1038/srep11480
15. Lunin L.S., Lunina M.L., Devitsky O.V., Sysoev I.A. Pulsed laser deposition of AlxGa1–xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters // Semiconductors. 2017. V. 51, N 3. P. 387–391. doi: 10.1134/S1063782617030174
16. Chale-Laraa F., Zapata-Torres M., Caballero-Briones F., De la Cruz W., Cruz Gonz´alez N., Huerta-Escamilla C., Far´ıas M.H. Deposit of AlN thin films by nitrogen reactive pulsed laser ablation using an Al target // Revista Mexicana de F´ısica. 2019. V. 65. N 4. P. 345–350. doi: 10.31349/RevMexFis.65.345
17. Девицкий О.В., Касьянов И.В., Сысоев И.А. Применение комбинированной установки ионно-лучевого и импульсного лазерного излучения для получения солнечных элементов на основе тонких пленок GaP и GaAs на Si // Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечной энергетики (NanoSolar-2018): Сборник трудов VI Всероссийской научной конференции (19-20 октября 2018 г., Чебоксары) / под ред. А.В. Кокшиной, А.В. Смирнова, В.Д. Кочакова, Е.И. Терукова, А.В. Бобыля. Чебоксары, 2018. С. 120-123.
18. Девицкий О.В., Дмитриева О.Г., Никулин Д.А., Касьянов И.В., Сысоев И.А. Исследование изменения морфологии поверхности лейкосапфира пучком ионов аргона под малым углом падения к поверхности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 848–854. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-5-848-854
19. Девицкий О.В., Никулин Д.А., Сысоев И.А., Осипян В.Б. Морфология и оптические свойства пленок AlN на сапфире // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 6. С. 1049–1057. doi: 10.17586/2226-1494-2019-19-6-1049-1057

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License