STUDY OF NANOCRYSTALLINE INDIUM NITRIDE GROWN ON SILICON SUBSTRATES

STUDY OF NANOCRYSTALLINE INDIUM NITRIDE GROWN ON SILICON SUBSTRATES

ABSTRACT

The aim of this project is to study the growth and characterization of nanocrystalline indium nitride (InN) on silicon (Si) substrates by means of various non-contact and non-destructive characterization tools. These include the scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray (EDX) analysis, atomic force microscopy (AFM), and X-ray diffraction (XRD) for structural characterization, and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, micro-Raman spectroscopy, and photoluminescence (PL) spectroscopy for optical characterization.

Initial works on the structural and optical characterization of the nanocrystalline InN grown on anisotropic (110) orientation of sillicon (Si) substrates have been carried out. Studies are, however, focused on optimizing the deposition conditions for growing nanocrystalline InN by radio frequency (RF) sputtering method. All deposited films obtained under different deposition conditions were slightly nitrogen-rich, but increasing the RF power provided more InN compounds in stoichiometric form. XRD results revealed wurtzite nanocrystalline InN films with a (101) preferred growth orientation for all deposited films. The strong PL peak was observed in the energy of 1.9 eV at room temperature. This higher value of the bandgap is due to the Moss–Burstein shift effect.

The optimized sputtering deposition parameters for InN grown on Si (110) substrates were used as background to study the deposition of InN on different substrates such as photo-electrochemical etched Si (110), different orientations of Si substrates, and 6H-silicon carbide (6H-SiC) substrates. Main structure and optical characteristics of the nanocrystalline InN grown on Si (110) and different substrates are compared and explained.

Lowest full width at half maximum (FWHM) and highest crystallite size of nanocrystalline InN grown on Si (110) reveal that InN films which grew on anisotropic Si (110) has the best nanocrystallite structure as compared to other orientation of Si substrates. In the case of the 6H-SiC substrate, the crystallinity of InN films degraded as compared to that grown on Si (110). The XRD result revealed a large lattice mismatch (around 62%) between InN (101) and 6H-SiC which is the main reason for the large strain in the deposited films and thus reduces the crystalline quality.

Finally, InN based photodetectors were fabricated. Silver (Ag) ohmic and platinum (Pt) Schottky contacts were deposited by using a metal-semiconductor-metal (MSM) pattern mask. The InN photodetectors were annealed at different temperatures in an N2 environment to relieve stress and to induce any favorable reactions between the metals and the semiconductors. Current-voltage (I-V) measurements after heat treatment were performed in the dark and illuminated conditions. The gain obtained in these devices has been found to depend strongly on the Si orientations. The barrier height and ideality factor of the photodetectors were found to be temperature dependent.

KAJIAN MENGENAI INDIUM NITRIDA BERHABLUR NANO YANG DITUMBUHKAN ATAS SUBSTRAT SILIKON

ABSTRAK

Tujuan projek ini adalah untuk mengkaji penumbuhan dan pencirian indium nitrida (InN) berhablur nano atas substrat silikon (Si) dengan menngunakan pelbagai pencirian yang tidak bersentuh dan tidak membinasakan. Ini termasuk mikroskop imbasan elektron (SEM), analisis tenaga serakan sinar-X (EDX), mikroskop daya atom (AFM), dan pembelauan sinar-X (XRD) untuk pencirian struktur, dan spektroskopi jelmaan Fourier inframerah (FTIR), spektroskopi mikro Raman, dan spektroskopi fotoluminesen (PL) untuk pencirian optik.

Kerja-kerja awal pada pencirian struktur dan optik InN berhablur nano yang ditumbuhkan atas orientasi anisotropik (110) bagi substrat silikon (Si) telah dijalankan. Kajian bagaimanapun memberi tumpuan kepada mengoptimumkan keadaan pemendapan bagi penumbuhan InN berhablur nano menggunakan kaedah percikan frekuensi radio (RF). Semua filem yang dimendapkan yang diperolehi di bawah keadaan yang berbeza adalah sedikit kaya-nitrogen, tetapi peningkatan kuasa RF memberikan lebih sebatian InN dalam bentuk stoikiometri. Keputusan XRD mendedahkan filem wurtzit InN berhablur nano dengan orientasi pertumbuhan diutamakan (101) untuk semua filem yang dimendapkan. Puncak PL yang kuat diperhatikan dalam tenaga sebanyak 1.9 eV pada suhu bilik. Nilai yang lebih tinggi bagi jurang jalur adalah disebabkan oleh anjakan Moss-Burstein.

Parameter pemendapan percikan yang optimum bagi InN yang ditumbuhkan atas substrat Si (110) telah digunakan sebagai latar belakang untuk mengkaji pemendapan InN pada substrat yang berbeza seperti Si (110) yang dipunarkan secara foto-elektrokimia, orientasi berbeza substrat Si, dan substrat 6H-silikon karbida (6H-SiC). Struktur utama dan ciri-ciri optik InN berhablur nano yang ditumbuhkan atas Si (110) dan substrat yang berbeza dibandingkan dan diterangkan.

Maksimum separuh lebar penuh (FWHM) yang terendah dan saiz hablur tertinggi bagi InN berhablur nano yang ditumbuhkan atas Si (110) mendedahkan bahawa filem-filem InN yang tumbuhkan pada Si (110) anisotropik mempunyai struktur hablur nano terbaik berbanding dengan orientasi substrat Si yang lain. Dalam kes substrat 6H-SiC, kehabluran filem InN menurun berbanding dengan yang ditumbuhkan atas Si (110). Keputusan XRD mendedahkan ketidaksepadan kekisi yang besar (sekitar 62%) di antara InN (101) dan 6H-SiC yang merupakan sebab utama bagi terikan yang besar dalam filem-filem yang dimendapkan dan dengan itu mengurangkan kualiti hablur.

Akhirnya, pengesan foto berasaskan InN telah difabrikasikan. Sentuhan ohmik argentum (Ag) dan sentuhan Schottky platinum (Pt) dimendapkan dengan menggunakan corak topeng logam-semikonduktor-logam (MSM) topeng. Pengesan foto InN disepuh lindap pada suhu yang berbeza dalam persekitaran N2 untuk melegakan tegasan dan untuk mengaruhkan tindak balas antara logam dan semikonduktor. Pengukuran arus-voltan (I-V) selepas rawatan haba telah dilakukan dalam keadaan gelap dan

pencahayaan. Gandaan yang diperolehi dalam peranti-peranti ini telah didapati sangat bergantung pada orientasi Si. Ketinggian sawar dan faktor keunggulan pengesan foto didapati bergantung kepada suhu.