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

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