ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 7, с. 109-112
УДК 621.385
НАНОТРУБКИ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ 2Н-А^
НА ПОДЛОЖКАХ 81(111)
© 2004 г. М. Н. Ковальчук1, У. Кайзер2, И. И. Ходос1
1Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка, Московская область, Россия 2Университет им. Ф. Шиллера, Йена, Германия Поступила в редакцию 08.05.2003 г.
Методом светлопольной просвечивающей электронной микроскопии изучена структура эпитакси-альных пленок 2Н-АШ, полученных молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках 81(111). Наряду с высокой плотностью дислокаций обнаружены полые прямолинейные дефекты - нанотрубки диаметром 2-4 нм и длиной до 300 нм, ориентированные вдоль направления [0001]. Максимальная плотность нанотрубок порядка 1010 см-2 наблюдалась в слое, прилегающем к подложке. Обсуждаются возможные механизмы образования данных дефектов.
ВВЕДЕНИЕ
Линейные полые дефекты - микротрубки диаметром в десятки нанометров впервые были обнаружены в SiC. Их возникновение впоследствии пытались объяснить, привлекая появившуюся позднее известную теорию Франка об открытых ядрах дислокаций [1]. Установлено, что наличие микротрубок резко ухудшает электронные свойства пленок 6H-SiC [2]. Аналогичные дефекты, но гораздо меньшего радиуса, которые были названы нанотрубками [3, 4], были обнаружены в эпитак-сиальных пленках GaN в начале 90-х годов. Как следует из литературных данных, нанотрубки в пленках GaN могут заканчиваться конусообразными кратерами (V-образными дефектами), выходящими на поверхности пленки [5, 6]. Перспективы использования пленок SiC и нитридов металлов III группы в мощных высокочастотных и высокотемпературных электронных приборах делают исследование механизмов образования полых дефектов и их влияния на электронные свойства пленок весьма актуальным.
Структура нанотрубок в пленках GaN имеет ряд характерных особенностей. Основная часть этих дефектов имеет диаметр 10-20 нм [6], гораздо реже наблюдаются нанотрубки с очень малым (2-5 нм) или очень большим (до 100 нм) диаметром [3, 4], а их длина вдоль оси c колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров [7]. Плотность нанотрубок, как правило, лежит в пределах 105-108 см-2. Поперечное сечение большинства нанотрубок имеет форму правильных шестиугольников [7], однако встречаются и цилиндрические нанотрубки [3, 4]. Несмотря на многочисленные наблюдения нанотрубок в эпи-таксиальных пленках, до сих пор не предложен убедительный механизм их образования. Пред-
ставленные различными авторами модели можно условно разделить на две основные группы: дислокационные, предполагающие, что нанотрубки -это винтовые дислокации с открытым ядром, и недислокационные, в которых основной причиной появления нанотрубок считается наличие в пленках примесей.
Несмотря на близость структурных параметров пленок 2Н-ваК и 2Н-АШ, присутствие нанотрубок в эпитаксиальных пленках 2Н-АШ в литературе не отмечалось. Нами нанотрубки выявлены в пленках 2Н-АШ, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Их изучению, а также сравнительному анализу этих дефектов и условий их появления в пленках 2Н-ваК и 2Н-АШ посвящена данная работа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методом просвечивающей электронной микроскопии были исследованы пленки 2Н-АШ со структурой вюрцита на подложках (111), полученные методом МЛЭ при температуре подложки Т = 850°С с использованием термического испарения алюминия и радиочастотной азотной плазмы при избытке в потоке атомов А1 [8]. Толщина пленок составляла 900 нм. Для исследования в микроскопе были приготовлены поперечные сечения образцов с нормалью, близкой к направлению [ 1120 ], путем механической шлифовки и последующего утонения ионами аргона. Поперечные сечения изучали в электронном микроскопе ШОЬ 2000БХ при ускоряющем напряжении 150 кВ. Светлопольные изображения были получены при ориентациях электронного пучка вдоль
направлений [1100], [1120 ] и [ 2110 ] приготов-
(а)
50 нм 1 1 1 (б)
50 нм
I_I
Светлопольные изображения поперечного сечения пленки АШ. Узкие прямолинейные линии - нанотруб-ки, наблюдавшиеся в слое, прилегающем к границе раздела подложка-пленка (а) и в объеме пленки (б).
ленных поперечных сечений пленок, используя их наклон в держателе микроскопа вокруг двух взаимно перпендикулярных осей.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Помимо дислокаций, плотность которых у поверхности пленки достигала 5 х 109 см-2 [9], исследованные пленки 2Н-АШ содержали полые нано-трубки, представлявшие собой протяженные дефекты с полым ядром и постоянным поперечным сечением диаметром 2-4 нм (рисунок, часть нано-трубок отмечена стрелками). Все нанотрубки были строго прямолинейны и ориентированы точно вдоль направления [0001], параллельного направлению оси с. Длина нанотрубок вдоль оси с варьировалась в пределах от 50 до 300 нм. Большая часть этих дефектов, зарождаясь на поверхности раздела подложка-пленка или вблизи нее, располагалась в слое, прилегающем к границе раздела (рис. а). Плотность нанотрубок в этом слое составляла =1010 см-2. Незначительная часть нанотрубок располагалась на различной глубине внутри пленки (рис. б). Контраст на изображениях нанотрубок в отражениях от различных кристаллографических плоскостей существенно не меняется.
Нанотрубки в наших образцах 2Н-АШ имели меньший диаметр в сравнении с подобными дефектами, наблюдавшимися ранее в 2Н-ваК, где большинство нанотрубок имело диаметр 10-25 нм. Маловероятно, что этот эффект может быть связан с довольно небольшими различиями в параме-
трах решеток АШ и ваК (аА1К = 3.112 А, сА1К = = 4.982 А и аСаК = 3.189 А, сСаК = 5.185 А) и в величинах упругих постоянных (Е2Н-А1К = 29.67 х х 1011 дин/см2 и Е2Н-СаК = 27.09 х 1011 дин/см2, где Е - модули Юнга для 2Н-АШ и 2Н-ваК, рассчитанные с использованием экспериментальных данных [10, 11]).
Подавляющее число нанотрубок не выходило на свободную поверхность пленки или на какие-либо другие границы раздела. Этот факт, а также практически одинаковый в различных отражениях и сравнительно слабый контраст на изображениях нанотрубок, свидетельствующий об отсутствии существенных и пространственно ориентированных полей напряжения в области нанотрубок, позволяют предположить, что данные дефекты имеют недислокационную природу.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Попытки объяснить природу и механизм образования нанотрубок предпринимались в ряде работ [6, 12-14]. Одна из них основывалась на известной модели образования дислокаций с открытым ядром, предложенной Франком [1]. Франк предположил, что в состоянии равновесия, когда увеличение энергии кристалла из-за создания новой поверхности (внутренней поверхности полого ядра) компенсируется уменьшением упругой энергии вследствие диффузии атомов из ядра дислокации, винтовая дислокация с вектором Бюр-герса, превышающим критическую величину, должна иметь пустое ядро. В рамках изотропной теории упругости зависимость радиуса открытого ядра дислокации цилиндрической формы от длины вектора Бюргерса может быть описана выражением:
Гравн = |Ь2/8п2у,
(1)
где | - модуль сдвига, Ь - вектор Бюргера и у - поверхностная энергия кристалла. К сожалению, использование выражения (1) для получения количественной оценки затруднено из-за отсутствия достаточно точных данных о величине поверхностной энергии у В случае нанотрубок в ваК, представляющих собой протяженные шестигранные призмы, необходимо знать величины у боковых граней призмы, образованных плоскостями {1010 }. Используя расчетные значения у = ~ 1.9 Дж • м-2 [14] для монокристаллического нитрида галлия (экспериментальные измерения у отсутствуют) и принимая | = 8 х 1010 Н • м-2 и Ь = = 0.51 нм для винтовой дислокации, получим радиус гравн = 0.2 нм. Это значение по крайней мере на порядок меньше радиуса реально наблюдавшихся в ваК (2.5-12 нм) [12] и АШ (2-4 нм) нанотрубок. Чтобы полое ядро имело радиус г = 12 нм, который типичен для нанотрубок в ваК, вектор Бюр-
НАНОТРУБКИ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ
111
герса винтовой дислокации должен быть равен Ь ~ 3.97 нм, что соответствует Ь ~ 7сСаК [13], однако известно, что дислокации с таким большим вектором Бюргерса нестабильны и распадаются на единичные дислокации. Можно предположить, что для АШ величины у и, следовательно, величины гравн близки к значениям для ваК, так как эти материалы имеют аналогичную структуру кристаллической решетки и лишь незначительное различие в параметрах решеток.
О расхождении между теорией Франка и экспериментальными данными свидетельствует также отсутствие корреляции между диаметром нанотрубок и величиной вектора Бюргерса: смешанные дислокации, имеющие больший вектор Бюргерса, в отличие от винтовых дислокаций, наблюдались с закрытым ядром [15]. Кроме того, согласно теории Франка распределение радиусов нанотрубок по размерам должно быть дискретно, так как эти радиусы должны быть пропорциональны величине (пЬ)2, где п - целое число, однако во всех исследованных образцах отмечается хаотичное распределение радиусов [4]. Существенным аргументом в пользу недислокационной природы наблюдавшихся нами дефектов в пленках АШ можно считать довольно слабый контраст изображений этих дефектов и практическое отсутствие зависимости контраста от дифракционного вектора в двухлучевых условиях (рисунок), так как это свидетельствует об отсутствии вокруг нанотрубок значительных и пространственно ориентированных полей напряжения, свойственных дислокациям.
В работе [6] обсуждаются два типа взаимозависимых дефектов, обнаруженных в пленках ваК на подслое баАШ: нанотрубки, имеющие постоянный диаметр поперечного сечения от 2 до 40 нм, и кратеры в приграничном слое ваК и на поверхности пленки с углом между гранями =60° (так называемые У-образные дефекты). Авторы предполагают, что наиболее вероятными местами зарождения кратеров и нанотрубок в условиях трехмерного роста являются локальные поверхностные неоднородности, например участки, где островки роста пересекаются один с другим или дислокации пересекают поверхность роста или образуются кластеры примеси.
Установлено, что введение примесей, таких как А1, М
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.