НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2015, том 51, № 7, с. 719-725
УДК 542.943:546.881.5+546.68218
МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ, СОСТАВ И СТРУКТУРА НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК, ВЫРАЩЕННЫХ НА InP ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ V2O5
© 2015 г. Н. Н. Третьяков, И. Я. Миттова, Б. В. Сладкопевцев, Б. Л. Агапов,
Д. И. Пелипенко, С. В. Мироненко
Воронежский государственный университет e-mail: inorg@chem.vsu.ru Поступила в редакцию 18.11.2014 г.
Наноразмерные пленки на InP, толщина которых определена методом спектральной эллипсомет-рии, выращены под воздействием V2O5, введенного в систему различными способами и методами (в рамках одного способа). Фазовый состав установлен рентгенофазовым анализом, морфология поверхности и структура — атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопией. Выявлена зависимость характеристик пленок от способа (через газовую фазу при оксидировании или непосредственное нанесение на поверхность до начала процесса) и метода (магнетронное напыление или осаждение из геля) введения хемостимулятора в систему.
DOI: 10.7868/S0002337X15070167
ВВЕДЕНИЕ
Формирование на поверхности полупроводниковых материалов функциональных нанораз-мерных пленок относительно экономичными и простыми в реализации методами представляет собой актуальную как в фундаментальном, так и в технологическом отношении проблему [1, 2]. Продуктивным подходом к ее решению является хемостимулированное термооксидирование полупроводников, когда при прочих равных условиях все основные характеристики пленок определяются физико-химической природой хемостимулятора и способом его введения в систему — через газовую фазу в процессе оксидирования или предварительным нанесением на поверхность полупроводника [3]. В последнем случае возможно использование различных методов нанесения: интенсивно модифицирующих поверхность полупроводника до начала термооксидирования (жесткие методы — магнетронное распыление, электровзрыв проводника, электроннолучевое испарение и т.д.) или практически не воздействующих на нее (мягкие методы — МОСУО, золь—гель-процессы и т.д.). Исследования для одного и того же хемостимулятора — пентаоксида ванадия — показали, что механизм процесса оксидирования и свойства формируемых гетеро-структур определяются как методом нанесения, так и формой его нахождения на поверхности: в виде наноразмерных слоев или островков [4, 5].
В рамках дальнейшего исследования необходимо установление конкретной зависимости морфо-
логии поверхности пленок, их микроструктуры и состава от способа и метода введения выбранного хемостимулятора, что позволит на основе знаний о механизме роста пленок управлять свойствами гетероструктур, выращивая не просто нанораз-мерные, а наноструктурированные регулярные пленки с заданным составом и воспроизводимыми характеристиками.
Цель данной работы — установление зависимости морфологии поверхности, состава и структуры пленок, выращенных хемостимулирован-ным термооксидированием 1пР, от способа и метода введения У2О5.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В эксперименте использовались полированные пластины фосфида индия марки ФИЭ-1А ориентации (100) с концентрацией основных носителей заряда при 300 К не менее 5 х 1016 см-3, обработанные полирующим травителем состава: И28О4 (ХЧ Г0СТ-4204-77, 92.80%) : Н2О2 (ОСЧ ТУ 6-02-570-750, 56%) : Н2О = 2 : 1 : 1 в течение 10 мин и многократно промытые в бидистилли-рованной воде.
Наноразмерные пленки на поверхности 1пР выращивали двумя способами. Первый способ состоял во введении хемостимулятора, полидисперсного У2О5 (ЧДА, ТУ 6-09-4093-88) с размером частиц 50-150 мкм, через газовую фазу испарением в процессе оксидирования. В этом случае навеску хемостимулятора (т = 0.2685 г) помещали в
цилиндрическим кварцевый контейнер, крышкой которого служил оксидируемый образец InP. Расстояние от поверхности хемостимулятора до рабочей стороны пластины во всех экспериментах было постоянным (10 мм). Контейнер устанавливали в печь резистивного нагрева (МТП-2М-50-500) с точностью регулировки температуры ±1°C (ОВЕН ТРМ-10), куда через шлиф подавался поток кислорода с объемной скоростью 30 л/ч (линейная скорость составляла 10 см/мин). В этих условиях образец термооксидировали при температуре 530°С в течение 60 мин. В рамках второго способа — непосредственного нанесения хемостимулятора на рабочую поверхность образца — использовались два метода: магнетронное распыление (жесткий) и осаждение геля пентаок-сида ванадия из аэрозольной фазы с последующим термическим отжигом (мягкий). Магнетронное распыление проводили на модернизированной установке УВН-2М в кислородно-аргоновой атмосфере, используя ванадиевую мишень (чистота 99.20%, расстояние от мишени до подложки 10 см). Гель V2O5 на поверхность InP наносили по разработанной нами ранее методике [6]: с осаждением в течение 3 мин на охлаждаемую подложку. Отжиг осажденных слоев хемостимулято-ра, необходимый для удаления химически связанной воды и кристаллизации [7], вели на воздухе в вышеописанной печи при 200°C в течение 60 мин. Сформированные обоими методами гетероструктуры V2O5/InP термически оксидировали в той же печи в потоке кислорода (30 л/ч) при температуре 530°С за время 60 мин, т.е. во всех случаях использовали идентичный режим оксидирования для сравнения влияния способа и метода введения одного и того же хемостимулято-ра в систему на состав и характеристики выращенных пленок.
Толщину нанесенных слоев хемостимулятора и пленок, выращенных в процессе термооксидирования, определяли на спектральном эллипсо-метре (СЭ) "Эллипс-1891", описанном в [8], в диапазоне длин волн от 250 до 1100 нм, применяя подход, изложенный в [9]. Толщина слоев хемо-стимулятора, нанесенного методами магнетрон-ного напыления и осаждения из геля, до термооксидирования составляла 30 ± 1 и 5 ± 1 нм соответственно.
Для исследования морфологии поверхности образцов применяли атомно-силовую микроскопию (АСМ, сканирующий зондовый микроскоп Solver P47 Pro корпорации NT-MDT), структуры пленок — просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ ВР H-800, Hitachi). Образцы для исследования готовили методом утонения, включавшим три этапа: 1) вырезание из пластин с ис-
следуемыми тонкими пленками дисков диаметром 3 мм посредством абразивного высверливания (под размер держателя образцов ПЭМ) на установке South Bay Technology Inc. Model 360, абразивный раствор составляли на основе порошка карбида бора с размером зерен 14.5 мкм; 2) шлифовка сферических лунок со стороны подложки на установке Gatan. Dimple Grinder, Model 656 с утонением до толщины 20—25 мкм, абразивом служила алмазная паста с размером частиц 1—2 мкм; 3) распыление образцов со стороны подложки бомбардировкой пучком ионов Ar+ с энергией 5 кэВ и плотностью потока до 600 А/м2 до перфорации подложки. Режим ионной бомбардировки выбирали так, чтобы предотвратить кристаллизацию аморфной фазы. Обработку проводили на установке ION-TECH. Результаты электронно-микроскопических исследований представляли в виде светлопольных изображений структуры.
Фазовый состав пленок устанавливали методом рентгенофазового анализа (РФА) с использованием рентгеновского дифрактометра Termo-scientific ARL X'tra.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Толщины пленок, выращенных после 60 мин термооксидирования при температуре 530°С, для различных способов и методов введения хемостимулятора в систему представлены в табл. 1. В процессе измерения выяснилось, что исследуемые пленки являются слабопоглощающими в области длин волн 420—900 нм и хорошо описываются классической моделью Коши с нормальным законом дисперсии. Слабое поглощение в видимой области (к < 0.1) можно интерпретировать малым содержанием неокисленного индия (не более 2%).
Методом АСМ для поверхности оксидной пленки (рис. 1), выращенной оксидированием InP под воздействием введенного через газовую фазу V2O5 (первый из приведенных в табл. 1 способов), показано, что высота рельефа составила =8 нм, размер отдельных кристаллитов — в среднем 100 нм.
Этим же методом установлено, что поверхность 1
гетероструктур VxOy/InP , отвечающих способу 2, методу 2а в табл. 1, после термооксидирования при температуре 530°C в течение 60 мин имеет высоту
1 Ввиду особенностей мягкого метода нанесения хемости-
мулятора, обусловливающих сложный состав нанесенных слоев [6, 7], соответствующие гетероструктуры обозначаются как УхОу/1пР. Слои, нанесённые жестким методом магнетронного распыления, имеют заданный состав (У2О5) [4], поэтому соответствующие гетероструктуры обозначены как У2О5/1пР.
(а)
нм
5
4 -
3 2 1
0
нм 5.0 4.5 -4.0 3.5 -3.0 2.5 -2.0 -1.5 1.0 -0.5 0 -
0.4 0.6 мкм
0.4 0.6 мкм
Рис. 1. АСМ-изображения и профиль поверхности пленки, выращенной в результате термооксидирования InP в режиме 530°C, 60 мин под воздействием вводимого через газовую фазу V2O5: размер области сканирования 2 х 2 (а), 1 х 1 мкм (б).
рельефа порядка 10 нм. Выращенные пленки поликристаллические, при этом зерна, имеющие анизотропную форму с длиной 350 и шириной 70 нм, уложены в одном направлении (рис. 2а).
Морфология поверхности гетероструктуры У2О5/1пР, сформированной магнетронным напылением (способ 2, метод 2б в табл. 1), после термооксидирования в том же режиме, как видно из рис. 2б, представляет собой упорядоченные кристаллиты, также уложенные в одном направ-
лении и имеющие анизотропную форму, с длиной 400 и шириной 100 нм. При этом высота рельефа составляет порядка 45 нм. Из сравнения рис. 2а и 2б следует, что для пленок, отвечающих одному способу нанесения хемостимулятора на поверхность (2 в табл. 1), но двум различным методам (2а и 2б), общим является наличие выраженных зерен анизотропной формы и определенная регулярная структура.
Таблица 1. Толщины пленок, определенные методом спектральной эллипсометрии, для образцов до и после термооксидирования в кислороде (530°С, 60 мин) в присутствии У2О5, вводимого разными способами и методами
Способ введения V2O5
Толщина, нм
нанесенного слоя хемостимулятора до оксидирования
пленки, выращенной термооксидированием InP или соответствующих гетероструктур
1) через газовую фазу в процессе оксидирования
2) предварительное нанесение на пове
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.