УДК 535.341;539.264;539.232
ФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ZnO ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ ДЛЯ МДП-ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПРИБОРОВ УФ-ДИАПАЗОНА1
THE POLYCRYSTALLINE ZnO FILMS SPUTTERING BY THE ION-PLASMA METHOD FOR UV MDP PHOTOELECTRIC DEVICES
1) Григорьев Леонид Владимирович
канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник, доцент
Е-mail: grigoryev@oi.ifmo.ru
1) Бочкарева Елизавета Сергеевна
магистрант
Е-mail: grigoryev@oi.ifmo.ru
2) Нефедов Вячеслав Григорьевич
канд. техн. наук, доцент Е-mail: nvg60@mail.ru
2) Шакин Олег Васильевич
д-р физ. -мат. наук, ст. научн. сотрудник, профессор Е-mail: oshakin@mail.ru
1) Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
2) Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Факультет радиотехники, электроники и связи
Кафедра конструирования и технологии электронных и лазерных средств
Аннотация: Приведены результаты исследования тонких поликристаллических пленок оксида цинка, полученных методом ионно-плазменного распыления металлической мишени в среде сильного газового окислителя. Показано, что их оптические свойства близки к оптическим свойствам монокристаллического оксида цинка и могут быть успешно использованы в качестве приемной площадки фотоприемников ультрафиолетового оптического диапазона. Ширина запрещенной зоны пленки составляет 3,22 эВ, что незначительно отличается от ширины запрещенной зоны монокристалла оксида цинка 3,3 эВ. Ключевые слова: поликристаллические тонкие пленки оксида цинка, ионно-плазменное распыление, оптический спектр, УФ-фотоприемники.
Grigoryev Leonid V.
Ph. D. (Phys. Math.), Senior Researcher,
Associate Professor
Е-mail: grigoryev@oi.ifmo.ru
Bochkaryova Elizaveta S.
Master Student
Е-mail: grigoryev@oi.ifmo.ru
2) Nefedov Vyacheslav G.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: nvg60@mail.ru
2) Shakin Oleg V.
Ph. D. (Phys. Math.), Senior Researcher, Professor Е-mail: oshakin@mail.ru
St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics
2) Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication
Chair of designing and technology of electronic and laser means
Abstract: Research results of zinc oxide thin polycrystalline films are given. By ion-plasma dispersion method of a metal target in a strong gas oxidizer films were received. It is shown that their optical properties are close to optical properties of the single-crystal zinc oxide and can be successfully used as a reception area of pho-todetectors of ultra-violet optical range. Band gap of a film 3,22 eV slightly differs from band gap of the single-crystal zinc oxide equal 3,3 eV.
Keywords: zinc oxide thin polycrystalline films, ion-plasma dispersion method, ultra-violet optical range, UV photodetectors.
ВВЕДЕНИЕ
Пленки оксида цинка /пО относятся к широкозонным и прямозонным полупроводникам, что обуславливает множество интересных свойств этого материала,
1 Работа выполнена при государственной финансовой поддержке Российского научного фонда (Соглашение № 14-23-00136).
находящих широкое применение в фотонике, акусто-оптике и интегральной оптике. Благодаря большой ширине запрещенной зоны, имеющей при комнатной температуре значение около 3,3 эВ, высокой химической инертности, атмосферной стойкости, а также малым оптическими потерями тонкие пленки из /пО находят широкое применение в качестве активного материала
для фотоприемников, работающих в преимущественно ультрафиолетовом диапазоне [1—3].
В настоящее время используются различные методики выращивания тонких пленок /пО: химическое осаждение из паровой фазы (CVD-процесс), импульсное лазерное осаждение, золь-гель метод, дискретное термическое напыление [4]. В сравнении с ними метод ионно-плазменного распыления металлической мишени в среде сильного окислителя позволяет создавать пленки /пО с сохранением как исходного элементного состава и с наименьшими структурными изменениями пленки, так и осуществлять модифицирование и легирование состава пленки в процессе ее роста [5, 6].
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Целью настоящей работы являлось исследование структурных и оптических свойств тонких пленок /пО, полученных методом ионно-плазменного распыления металлической мишени в среде сильного окислителя. Процесс ионно-плазменного распыления мишени проводился на установке магнетронного распыления, работающей в режиме постоянного тока. Синтез пленки оксида цинка происходил в газовой атмосфере, состоящей из 20 % кислорода и 80 % аргона. Давление газо-
—3
вой смеси в реакторе не превышало 10 мм рт. ст., температура подложки — не более 523 К. Металлическая мишень была изготовлена из цинка марки ОСЧ. В качестве подложки использовались полированные диски из кварца марки КИ толщиной 3 мм.
Формирование алюминиевых электродов осуществлялось на этой же установке. Толщина пленки оксида цинка по данным микроскопических исследований составляла 1 мкм.
Исследование структуры пленки /пО проводили методом рентгеновской дифрактометрии на автоматизированном рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. Как известно, качество получаемой рентгенограммы напрямую зависит от выбора источника излучения. Одним из основных факторов резкого увеличения шума на рентгенограмме является отклик детектора на паразитное флуоресцентное излучение в измерительной системе. Это происходит, когда порядковый номер вещества, из которого изготовлен анод рентгеновской трубки, более чем на две единицы выше порядкового номера материала исследуемого образца. Поэтому для получения корректной дифракционной картины следует приме -нять рентгеновские трубки с анодом, изготовленным из материала с порядковым номером ниже, равным или, по крайней мере, на единицу больше самого легкого элемента, присутствующего в исследуемом материале.
В связи с этим было применено излучение Fe-Ka (0,193735 нм). Для получения стабильного характеристического излучения значение напряжения на аноде трубки должно находиться в диапазоне от 21 до 28 кВ.
В данном эксперименте оно было выбрано равным 25 кВ. В целях выделения из выходного спектра трубки линии Fe-Ka перед образцом помещался селективно поглощающий р-фильтр. Измерение проводили в диапазоне брэгговских углов 29 от 20° до 80° с шагом А29 = 0,05°. Время накопления импульсов для каждой точки измерения составляло 10 с.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Как известно, практически все физические свойства тонких пленок полупроводников обуславливаются степенью дефектности их структуры. При поликристаллическом или "мозаичном" варианте тонкой полупроводниковой пленки за меру дефектности пленки может быть принят размер областей когерентного рассеяния рентгеновского излучения (ОКР). По сути, это будут микроразмерные области, в которых сохраняется трехмерная периодичность в расположении атомов полупроводниковой пленки. На основании оценки размеров ОКР по формуле Селякова-Шеррера можно оценить размеры кристаллитов, присутствующих в поликристаллической полупроводниковой пленке [7]. Рентгенограммы синтезированных ионно-плазменным методом пленок оксида цинка приведена на рисунках 1 и 2.
По данным рентгеноструктурного анализа, синтезируемые пленки имеют поликристаллическую структуру. На дифрактограмме присутствует дифракционный максимум гексагонального /пО (002) большой интенсивности. Поэтому можно утверждать о наличии в синтезируемой пленке высокого структурного совершенства и наличии выделенной осевой текстуры в направлении оси С, перпендикулярной поверхности подложки. Увеличение температуры подложки при синтезе пленок /пО приводило к смещению всех дифракци-
Рис. 1. Рентгенограмма поликристаллической пленки ZnO, синтезированной на предварительно нагретой подложке
16 _ ввпвогв & Буагетв • № 2.2015
1 ■ 100
\ \ N
\
0
1 01 к '2 1
/ I
1 / Л 1 %
'V 1 V >
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 26, град
Рис. 2. Рентгенограмма поликристаллической пленки ZnO, синтезированной на холодной подложке
онных максимумов на одинаковое значение в сторону меньших углов. Это может быть объяснено с позиции увеличения межплоскостного расстояния, обусловленного упругими растягивающими напряжениями.
При синтезе пленки /пО на предварительно нагретой подложке было выявлено уменьшение размеров кристаллитов с 23 до 13 нм. Величина поликристаллов (зерен) /пО в пленке, синтезированной на предварительно нагретой подложке до 473 К, вычисленная по формуле Селякова-Шеррера, не превышает 13 нм.
При сравнении положения пиков дифрактограмм для пленок, синтезированных на горячей и холодной подложках, наблюдается сдвиг дифрактограммы в сторону меньших углов при синтезе пленки на предварительно нагретой подложке. Кроме того, видно, что интенсивность пика, ответственного за дифракцию от плоскостей (002), уменьшилась относительно интенсивности аналогичного пика, соответствующего дифрактограмме пленки, синтезированной на предварительно нагретой подложке. Интенсивность пика (101) на дифрактограмме, соответствующей синтезированной пленке на холодной подложке, напротив — стала выше в сравнении с интенсив-ностию аналогичной линии для случая пленки, синтезированной на горячей подложке.
Из сравнения данных литературных источников [8], проведенных по виду дифрактограмм для пленок оксида цинка, синтезированных ВЧ
магнетронным распылением мишени из /пО, с результатами рентгеноструктурного анализа, соответствующими пленкам оксида цинка, синтезированными ион-но-плазменным методом на горячей и холодной подложках, видна корреляция вида дифрактограмм в обоих случаях. Кроме того, совместный анализ вида дифрак-тограммы для синтезированной пленки ок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.