Elipsometria do Nitreto de Alumínio (AlN) para aplicação em nanofotônica

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Elipsometria do nitreto de alumínio
para aplicação em nanofotônica
Bruno Brunello Vieira1, Emerson Gonçalves de Melo1
1Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de Lorena, Departamento de Engenharia de Materiais
Pólo-Urbo Industrial, Gleba AI-6, s/nº; 12602-810 Lorena, SP, Brasil
Tel: +55 (12) 3159-9900
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10 de junho de 2021
Resumo
É notório o recente avanço da nanofotônica devido aos grandes avanços tecnológicos alcançados na sociedade. Assim,
faz-se extremamente importante entender os materiais que podem ser utilizados para tais fins. O nitreto de alumínio (AlN)
é um importante material quando se trata do guiamento de ondas eletromagnéticas, sobretudo a luz visível, devido ao seu
elevado bandgap e as suas características ópticas únicas. Pensando nisto, através da técnica de elipsometria, os índices de
refração e o coeficiente de extinção do nitreto de alumínio foram determinados e comparados com dados já consolidados
na literatura, resultando que a amostra analisada possui as características ópticas necessárias para futuras aplicações em
nanofotônica.
Palavras-chave: Nanofotônica. Nitreto de Alumínio. Elipsometria. Características ópticas.
1 Introdução
A nanofotônica é uma área de estudo que visa emitir, gerar,
transmitir e guiar ondas eletromagnéticas (ondas eletromagné-
ticas serão referenciadas como luz, [1]). Graças a necessidade
do guiamento de luz devido a sua utilização na tecnologia da
computação, por exemplo, tem surgido um intenso interesse em
compreender os materiais que são capazes de guiar ondas. Os
materiais que se destacam no guiamento de ondas são aqueles
que possuem elevado bandgap, pois os elétrons da banda de
valência precisam de uma quantidade significativa de energia
para serem excitados para a banda de condução, garantindo
uma significativa faixa de transparência óptica [2].
O nitreto de alumínio (AlN) é um semicondutor do grupo
III-V, onde tem despontado como um material importante na
criação de dispositivos optoeletrônicos, sendo capaz de emitir
do vermelho ao ultravioleta, além de ser apontado para futu-
ras aplicações em spintrônica [3]. As aplicações supracitadas
do AlN são possíveis devido ao seu elevado bandgap direto
(6, 2 eV [4]), sendo o mais elevado entre os semicondutores,
conferindo-lhe um coeficiente de extinção elevado a partír do
comprimento de onda do ultra-violeta (λ ≈ 200nm [5]); a sua
elevada condutividade térmica (285 Wm−1K−1 [4]); ao seu pe-
queno coeficiente termo-óptico (2, 32 · 10−5 K−1 [4]), garan-
tindo que as flutuações térmicas em um dispositivo baseado
em AlN não sejam tão prejudiciais e devido a sua não lineari-
dade óptica de segunda ordem graças à sua estrutura cristalina
não centro-simétrica [5]. Além disso, possui índice de refração
(n) intermediário [4] quando comparado com o silício e o dió-
xido de silício, confirmando o AlN como um bom material para
aplicações em nanofotônica, sobretudo como dispositivo para a
realização de pesquisas. Algumas das áreas de pesquisa que o
AlN pode ser empregado, são: interações ópticas não-lineares
[6] e computação quântica [7].
1.1 Elipsometria Espectroscópica
O índice de refração possui relevância no que concerne a
dispositivos nanofotônicos. Uma técnica não destrutiva ampla-
mente utilizada para caracterizar diversos parâmetros ópticos
é a elipsométria espectroscópica (ES [8]). A ES é uma técnica
que mede a alteração na polarização da luz após está ser re-
fletida ou transmitida em um determinado material, sendo tal
alteração referente a amplitude (ψ) e a fase (∆).
Após a medição ser realizada, a relação básica da elipsome-
tria (ver Equação 1) é utilizada e os parâmetros são analisados
através de [9] e algoritmos [10], onde os parâmetros ópticos de
interesse como índice de refração e coeficiente de extinção (k),
podem ser calculados [11].
tg(ψ) · ei∆ = ρp
ρs
· ei(∆p−∆s) (1)
Com ρp e ρs sendo, respectivamente, a amplitude da com-
ponente paralela e perpendicular ao plano de incidência, além
de ∆p− ∆s ser definido como a diferença entre as fases.
1.2 Índice de Refração e Coeficiente de Extinção
Através da ES, pode-se identificar os espectros de um filme
fino. Para tal, aplica-se um índice de refração anisotrópico uni-
xial, o qual, por sua vez, explica a orientação cristalográfica
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2 B. Brunello Vieira et al.
preferencial do filme [12]. Existem duas componentes que des-
crevem o índice de refração unixial: o extraordinário (ne), que
possui natureza perpendicular à superfície do filme e o ordiná-
rio (no), o qual é paralelo a superfície do filme fino [12]. Além
disso, faz-se possível determinar o coeficiente de extinção da
amostra que se deseja estudar.
Utilizando-se da ES, objetivou-se determinar os índices de
refração ordinário e extraordinário e o coeficiente de extinção de
uma amostra de filme fino de AlN. Como supracitado, as cons-
tantes ópticas podem ser determinadas através de [9] e [10].
No entanto, entender quais os cálculos que estão sendo rea-
lizados faz-se imprescindível para um completo entendimento
da análise elaborada. Assim, as constantes ópticas de interesse
podem ser obtidas através do modelo de dispersão de Cauchy-
Urbach [11], onde o índice de refração n(λ) e o coeficiente de
extinção k(λ) são dados em função do comprimento de onda
λ por, respectivamente,
n(λ) = A+ B
λ2
+ C
λ4
, (2)
k(λ) = α exp β
[
12400
(
1
λ
− 1
γ
)]
(3)
sendo A, B, C, α, β e γ parâmetros do modelo [11]. Portanto,
como se trata de cálculo numérico, o software CompleteEASE
foi utilizado para solucionar as Equações 1, 2 e 3, tornando
possível a análise dos dados.
A análise realizada fez-se possível apenas graças ao auxílio
do Professor Doutor André Santarosa Ferlauto, Professor da
Universidade Federal do ABC. Após a análise dos dados
fornecidos pelo professor, fez-se a interpretação dos dados e a
devida comparação com os apresentados na literatura [11, 12],
tornando-se possível aferir que a amostra de filme fino de
AlN possui as características ópticas esperadas para uma boa
aplicação em nanofotônica.
2 Metodologia
O filme fino de AlN analisado foi fornecido pelo orienta-
dor do presente autor, Professor Doutor Emerson Gonçalves de
Melo e analisado pelo Professor André, citado anteriormente.
O Professor André realizou a análise da amostra de AlN devido
ao fato de possuir laboratórios que contam com elipsômetros
disponíveis.
O filme de AlN possui (617, 2 ± 2, 979) nm de espessura e
o substrato sobre o qual foi crescido é o silício. Os dados da SE
foram medidos (ψ e ∆), utilizando-se dos ângulos de incidência
55◦, 60◦, 65◦ e 70◦ para comprimentos de onda no intervalo
de 365nm-1700nm.
Após a medição, a análise completa ocorreu através do
software CompleteEASE, onde buscou-se, através dos espectros
ψ e ∆ experimentais, o melhor ajuste. Para isto, os parâme-
tros do modelo de Cauchy-Urbach foram utilizados, ocorrendo,
portanto, o ajuste das medidas experimentais com o modelo.
Através dos espectros gerados teoricamente no software,
fez-se possível determinar os índices de refração ordinário e
extraordinário, além do coeficiente de extinção. Em seguida, as
devidas comparações entre os gráficos obtidos foram realizadas
com os presentes na literatura.
3 Resultados e Discussão
O coeficiente de extinção para o menor valor de compri-
mento de onda λ = 365 nm utilizado, foi de ≈ 0, resultando
que, para comprimentos de onda maiores, o seu valor pode ser
desprezado, exatamente como ocorre na literatura [13]. Esse
resultado implica que, como o coeficiente de extinção diz res-
peito a transparência óptica do filme, o AlN não tem absorção
de luz para o intervalo em estudo.
As curvas de dispersão ajustadas estão na Figura 1. Pode-
se notar que, para valores maiores de λ, tem-se uma maior
anisotropia no filme, o que está de acordo com a literatura
[12], ou seja, ao passo que se aumenta o λ, a diferença entre
os índices de refração ordinário e extraordinário, aumenta, re-
sultado direto da crescente anisotropia do material [12]. Alémdisso, quando se analisa valores de λ < 600 nm, nota-se que,
quanto menor o seu valor, maior a dispersão apresentada para
ambos os índices, confirmando o que ocorre na literatura [12].
Figura 1. Curvas de dispersão do AlN ajustadas utilizando-se do
modelo de Cauchy-Urbach. Fonte: o autor.
Elipsometria do nitreto de alumínio para aplicação em nanofotônica 3
4 Conclusão
A anisotropia do filme fino de AlN mostrou-se crescente
com o aumento do λ. Ou seja, fez-se possível notar uma cres-
cente diferença entre os índices de refração ordinário e extra-
ordinário em consequência do aumento do λ, resultando, por-
tanto, em uma maior anisotropia do material.
A amostra exibiu coeficiente de extinção muito pequeno
para o intervalo do λ considerado, a tal ponto que, pôde ser
desprezado, confirmando-o como um material que não absorve
luz visível. Do ponto de vista dos índices de refração ordinário e
extraordinário, o resultado confirmou o que foi observado para
o coeficiente de extinção, pois, para 365nm ≤ λ ≤ 600nm,
notou-se que a dispersão é maior do que para valores de λ
maiores, isto é, ao aumentar o valor da energia dos fótons,
observa-se que a dispersão é crescente, o que era esperado,
pois, ao atingir 6,2 eV, os elétrons do AlN passam a ter energia
suficiente para irem da banda de valência para a banda de
condução.
As características ópticas da amostra de AlN estão em
coerência com o que é apresentado na literatura, caracterizando
a amostra como um promissor semicondutor no que concerne
a aplicações na nanofotônica.
5 Agradecimentos
O presente autor gostaria de agradecer ao Professor Dou-
tor E. G. de Melo por todo o suporte necessário ao longo do
desenvolvimento da pesquisa e ao Professor Doutor A. S. Fer-
lauto por todo o suporte técnico fornecido.
Esse trabalho contou com o apoio financeiro do Programa
Unificado de Bolsas (PUB) da Universidade de São Paulo.
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