Influence of post-annealing on structural, optical and electrical properties of tin nitride thin films prepared by atomic layer deposition

Show simple item record

dc.contributor.author Ansari, Mohd Zahid
dc.contributor.author Janíček, Petr
dc.contributor.author Nandi, Dip K
dc.contributor.author Pálka, Karel
dc.contributor.author Šlang, Stanislav
dc.contributor.author Kim, Deok Hyun
dc.contributor.author Cheon, Taehoon
dc.contributor.author Kim, Soo-Hyun
dc.date.accessioned 2022-06-03T12:23:03Z
dc.date.available 2022-06-03T12:23:03Z
dc.date.issued 2021
dc.identifier.issn 0169-4332
dc.identifier.uri https://hdl.handle.net/10195/79214
dc.description.abstract Post-thermal annealing treatment is an effective process employing the thin film structure modifications and compositional properties. In this article, we present a detailed investigation and understanding of the changes in the phase, crystal structure, microstructure, and optoelectrical properties of tin nitride (SnNx) thin films. These were deposited by atomic layer deposition (ALD) followed by annealing at temperatures ranging from 300 to 550 degrees C. The results suggest that post-annealing significantly influences the properties of as-deposited ALD SnNx thin films at 150 degrees C. For instance, X-ray diffractometry (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) results demonstrate that the as-deposited film predominantly forms an amorphous structure. After annealing up to 350 degrees C, the film retains its amorphous structure with a minor enhancement in crystallinity. The bonding state to reveal its phase was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The as-deposited film predominantly forms SnN bonding from Sn2+ states, and it is changed after annealing at 350 degrees C, where the fraction of Sn4+ from the Sn3N4 phase considerably increases. However, the XRD and TEM results do not distinguish the differences between as-deposited or 300 degrees C-annealed and 350 degrees C-annealed samples. After the annealing temperature is increased to 400 and 450 degrees C, both processes of crystallization into the mixed phase of hexagonal SnN and cubic Sn3N4, and their decomposition into metal Sn with simultaneous nitrogen release occur. At a further elevation of the annealing temperature (500 degrees C and beyond), a considerably distorted morphology and agglomeration of the as-deposited film structure was observed. This was due to the formation of island-like structures or droplets of metallic Sn by significantly releasing (or almost all) the nitrogen within the films. As the film properties vary upon annealing, spectroscopic ellipsometry (SE) was used to investigate the optical and electrical parameters of the as-deposited and annealed films. The optical band gap of the as-deposited film is 1.5 eV and remains unchanged up to 400 degrees C; it then increases to 1.9 eV at higher annealing temperatures. The electrical resistivity of the films decreases monotonically as the annealing temperature increases, which is attributed to the change in carrier concentration. The change in the optoelectronic properties can be associated with the change in crystallinity and escape of the nitrogen content connected with the change in stoichiometry. eng
dc.format p. 147920 eng
dc.language.iso eng
dc.publisher Elsevier Science BV eng
dc.relation.ispartof Applied Surface Science, volume 538, issue: February eng
dc.rights open access (green) eng
dc.rights.uri https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject atomic layer deposition eng
dc.subject tin nitride eng
dc.subject post annealing eng
dc.subject optical properties eng
dc.subject ellipsometry analysis eng
dc.subject depozice atomových vrstev cze
dc.subject nitrid cínu cze
dc.subject žíhání cze
dc.subject optické vlastnosti cze
dc.subject elipsometrická analýza cze
dc.title Influence of post-annealing on structural, optical and electrical properties of tin nitride thin films prepared by atomic layer deposition eng
dc.title.alternative Vliv dodatečného žíhání na strukturní, optické a elektrické vlastnosti tenkých vrstev nitridu cínu připravených metodou depozice atomárních vrstev cze
dc.type article eng
dc.description.abstract-translated Tepelné žíhání je efektivní proces využívající modifikaci struktury tenkého filmu a kompozičních vlastností. V tomto článku prezentujeme podrobný výzkum a pochopení změn ve fázi, krystalové struktuře, mikrostrukuře a optoelektrických vlastnostech tenkých vrstev nitridu cínu (SnNx). Ty byly nanášeny depozicí atomární vrstvy (ALD) s následným žíháním při teplotách v rozmezí 300 až 550 °C. Výsledky naznačují, že následné žíhání významně ovlivňuje vlastnosti tenkých vrstev ALD SnNx deponovaných při teplotě 150 °C. Výsledky rentgenové difrakce (XRD) a transmisní elektronové mikroskopie (TEM) ukazují, že nanesený film tvoří převážně amorfní strukturu. Po žíhání do 350 °C si film zachovává svou amorfní strukturu s menším zvýšením krystalinity. Nanesený film tvoří převážně vazbu SnN ze stavů Sn2+ a mění se po žíhání při 350 °C, kde se výrazně zvyšuje podíl Sn4+ z fáze Sn3N4. Výsledky XRD a TEM však neukazují rozdíly mezi vzorky žíhanými při 300 °C a 350 °C. Po zvýšení žíhací teploty na 400 a 450 °C dochází k procesům krystalizace na směsnou fázi hexagonálního SnN a kubického Sn3N4 a jejich rozkladu na kov Sn za současného uvolňování dusíku. Při dalším zvýšení teploty žíhání (500 °C a více) byla pozorována značně narušená morfologie a aglomerace nanesené filmové struktury. To bylo způsobeno tvorbou ostrůvkovitých struktur nebo kapiček kovového Sn výrazným uvolňováním (téměř veškerého) dusíku ve filmech. Protože se vlastnosti filmu při žíhání mění, byla ke zkoumání optických a elektrických parametrů nanášených a žíhaných filmů použita spektroskopická elipsometrie (SE). Šířka nzakázaného pásu naneseného filmu je 1,5 eV a zůstává nezměněna až do 400 ° C; při vyšších teplotách žíhání se zvýší na 1,9 eV. Elektrický odpor filmů monotónně klesá s rostoucí teplotou žíhání, což je přičítáno změně koncentrace nosiče. Změna optoelektronických vlastností může být spojena se změnou krystalinity a snížením obsahu dusíku spojeným se změnou stechiometrie. cze
dc.peerreviewed yes eng
dc.publicationstatus accepted version (postprint) eng
dc.identifier.doi 10.1016/j.apsusc.2020.147920
dc.relation.publisherversion https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433220326775
dc.identifier.wos 000594832600002
dc.identifier.scopus 2-s2.0-85092163419
dc.rights.license CC BY-NC-ND 4.0
dc.identifier.obd 39886034


This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

open access (green) Except where otherwise noted, this item's license is described as open access (green)

Search DSpace


Advanced Search

Browse

My Account