ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 6, с. 97-102
УДК 537.216.2
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ НА САПФИРЕ
© 2011 г. В. И. Михайлов, А. В. Буташин, В. М. Каневский, Л. Е. Поляк, Е. В. Ракова, А. Э. Муслимов, В. Б. Кварталов
Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 02.11.2010 г.
Исследовано влияние режимов термической обработки сапфировых подложек ориентации (0001) на структуру пленок CdTe, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на лабораторной установке с контролем процесса роста с помощью встроенного электронного дифрактометра и масс-спектрометра. Установлено, что на подложках, не подвергавшихся отжигу или отожженных в вакууме (P < 0.13 Па), растут поликристаллические пленки CdTe. На подложках, отожженных на воздухе при температуре 1000°С и выше, растут эпитаксиальные пленки с кубической структурой типа сфалерита, ориентированные плоскостью (111) параллельно подложке. Электронограммы показывают, что пленки CdTe являются мозаичными и содержат двойники с осью двойникования (111). АСМ-изображения поверхности выявляют наличие кристаллитов CdTe с латеральными размерами ~50 нм, которые выстраиваются вдоль ступеней на поверхности сапфировой подложки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что рост CdTe на сапфировых подложках происходит путем образования трехмерных зародышей по механизму Фольмера—Вебера.
ВВЕДЕНИЕ
Кристалл теллурида кадмия является полупроводником с шириной запрещенной зоны Е = 1.44 эВ при Т = 300 К. Он применяется в качестве подложек при нанесении эпитаксиальных слоев СёИ§Те для ИК-детекторов и для изготовления чувствительных элементов детекторов рентгеновского и у-излучения. Привлекает внимание СёТе как перспективный материал для современной фотоники. Однако получение кристаллов расплавным методом осложняется интенсивным испарением компонентов расплава и наличием у СёТе целой серии высокотемпературных полиморфных фазовых переходов. Альтернативой объемным кристаллам СёТе являются эпитаксиальные пленки на различных кристаллических подложках (81, ОаАз, сапфир а-А1203). Для получения пленок применяются методы молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), газофазного химического осаждения из металлоорганических соединений, лазерной абляции [1—5]. Среди указанных подложек сапфир с ориентацией (0001) обеспечивает наилучшее размерно-геометрическое соответствие с плоскостью (111) СёТе: рассогласование межатомных расстояний эпитаксиальной пленки и подложки в плоскости срастания составляет ~3.7%. Отмечено, что гетероэпитаксиальные пленки СёТе содержат двойники по плоскости (111), домены, отличающиеся ориентацией полярных осей (111). Поверхность таких пленок шероховатая [1, 3, 5].
Поскольку реальная структура пленок в значительной степени определяется условиями зарождения, то исследование начальных стадий роста на
подложках из сапфира представляется интересным с фундаментальной точки зрения и практически важно для разработки методики получения монокристаллических пленок СёТе. В данной работе изучено влияние характера термической обработки сапфировых подложек, предваряющей процесс МЛЭ, на структуру пленок СёТе.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперименты по выращиванию пленок проводились на лабораторной установке МЛЭ, изготовленной в Институте кристаллографии РАН [6]. В камеру роста были встроены дифрактометр быстрых электронов (ДБЭ) — для определения кристаллической структуры и фазового состава верхних слоев образца и масс-спектрометр — для определения состава десорбированных с подложки молекулярных потоков. Сочетание методов масс-спектрометрии и ДБЭ позволяет исследовать на атомном уровне кинетику процессов МЛЭ и структуру выращенных пленок in situ (вакуум 10-6 Па). Схема рабочей камеры установки приведена на рис. 1. Здесь ИМП — источники молекулярных пучков кадмия и теллура, МС — масс-спектрометр, ДБЭ — дифрактометр быстрых электронов (ускоряющее напряжение 25 кВ), ПК — персональный компьютер. Такой комплекс позволяет исследовать фазовый состав и структуру поверхности, а также контролировать состав и количество реагентов непосредственно в процессе роста пленки.
Рис. 1. Схема установки МЛЭ: масс-спектрометр (МС), компьютер (ПК), экран дифрактометра быстрых электронов (ДБЭ) и источники молекулярных пучков кадмия и теллура (ИМП).
Подложки диаметром около 20 мм вырезали из стандартных сапфировых пластин производства ИК РАН с односторонней химико-механической полировкой до средней шероховатости поверхности не более 0.3 нм [7]. Поверхность подложек отклонялась от кристаллографической плоскости
(0001) на углы от 0.1° до 1° в направлении [10 10]. Для рекристаллизации поверхности подложек и формирования на ней ступенчатой наноразмерной структуры с террасами из атомногладких граней (0001) образцы отжигались на воздухе или в вакууме при температуре 1000°С и выше [8].
Для отжига сапфировых пластин на воздухе использовали печь камерного типа ТК.8-1600.М.1Ф с горизонтальной загрузкой. Корундовый муфель, от-
деляющий рабочую камеру от нагревателей, обеспечивает чистоту среды в процессе отжига. Отжиг пластин в вакууме проводили в электропечи сопротивления СШВЭ-1,2,5/25-И3 при остаточном давлении в камере не более 0.13 Па. Время отжига — 1 ч, скорости нагрева и охлаждения печей — 300°С/ч. Некоторые из использованных подложек подвергались после отжига в вакууме повторному отжигу на воздухе. Параметры пластин и температуры отжига приведены в таблице.
Морфологию поверхности сапфировых подложек и пленок СёТе исследовали в режиме топографии на атомно-силовом микроскопе "№е§га Аига" (НТ-МДТ г. Зеленоград).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Масс-спектрометрические измерения. Оптимизации параметров роста ОШЬ на сапфире (температура подложки, потоки компонентов Cd и Te2). Осаждение пленок СёТе проводилось из раздельных источников Сё и Те2. Оптимальные условия были выбраны на основе масс-спектрометрических данных о десорбции компонентов с поверхности образца. Масс-спектрометрический метод позволяет оценить соотношение компонентов в адсорбционном слое на подложке [9], которое может сильно отличаться от соотношения интенсивностей потоков этих компонентов. Именно концентрация молекул в адсорбционном слое определяет характер зарождения и роста пленки. На рис. 2 приведен пример масс-спектрометрических данных, получаемых в процессе роста пленки СёТе.
Масс-спектрометр одновременно измеряет два тока, пропорциональные интенсивностям молекулярных потоков десорбции Сё и Те2 соответственно. Рост пленки теллурида кадмия происходит в результате адсорбции кадмия и теллура на поверхности
Параметры сапфировых подложек и характеристики пленок СёТе
№ Отклонение от плоскости (0001), град Средние параметры ТСН, нм Режим отжига*, температура, °С Структура пленки по данным ДБЭ
1 0.1 Четких ТСН нет Без отжига Поликристаллическая
2 0.3 Четких ТСН нет Без отжига Поликристаллическая
3 0.3 Нерегулярные ТСН, к = 0.4, й = 100-200 ВО, 1000 Поликристаллическая
4 1.0 Четких ТСН нет АО, 1000 Поликристаллическая
5 0.2 к = 0.4, й = 150 ВО, 1200 Поликристаллическая
6 0.5 к = 2, й = 160 ВО, 1100 Поликристаллическая
7 0.5 к = 0.2, й = 20 АО, 1200 Эпитаксиальная
8 0.5 к = 0.8, й = 100 АО, 1000 Эпитаксиальная
9 1.0 к = 0.7, й = 50 АО, 1000 Эпитаксиальная
*Примечание: АО — отжиг на воздухе, ВО — отжиг в вакууме.
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
99
/, А 4 х 10-13 3 х 10-13 2 х 10-13
(а)
Положение модуляторов
1
мкм 2.0
мТе " / Те2
Л |Чл
| 1
| 1111
10
15 20 25 мин
30
/, А 1.5 х 10-13
1 х 10-13 5 х 10-14
0
(б)
Положение модуляторов 1
/Мса /МТе2
11—1 — 1 1 _—и* | |
10 15 20 25 30 ?, мин
Рис. 2. Масс-спектрометрические кривые потоков десорбции Сё (а) и Те2 (б). По главной оси ординат — ток ионов массой 110 и 250 а.е.м., пропорциональный интенсивности десорбции молекул Сё и Те2 соответственно; по вспомогательной (правой) оси ординат — условное положение модуляторов М падающих пучков (0 — пучок закрыт, 1 — открыт).
подложки и их химической реакции. Одновременно имеет место десорбция этих компонентов с поверхности ("отраженные" молекулы). При прерывании потока молекул на поверхность одного из компонентов, естественно, уменьшается его десорбционный поток, но и увеличивается доля "отраженных" молекул другого компонента.
Отметим здесь, что скорость этого изменения достаточно мала, характерное время порядка 5 мин, а время адсорбции Сё и Те2 на поверхности кристалла СёТе не превышает долей секунды [9, 10]. По-видимому, при росте тонких пленок, в особенности в начальной стадии, при резкой смене интенсивности потоков происходит перестройка самой поверхности и ее адсорбционных характеристик (время адсорбции и длина диффузионного пробега), а не только изменение концентраций в адсорбционном слое. В настоящей работе мы посчитали оптимальными такие условия процесса, когда "отражается" незначительная доля обоих потоков и имеется взаимное влияние одного компонента на другой, а именно: температура подложки — 400°С, молекулярные потоки Сё и Те2 — 0.1 монослоя в секунду.
Структура и морфология подложек сапфира, прошедших разную предварительную обработку. Типичная морфология исходных подложек после химико-механической полировки показана на рис. 3. Вид-
10-3 нм -400 -200 -0
-—200 -—400
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
мкм
Рис. 3. АСМ-изображение поверхности сапфировой подложки после химико-механической полировки.
но, что на поверхности присутствует система ступеней, торцы которых имеют неровные очертания. Формирование ступенчатого рельефа обусловлено тем, что поверхность образца отклонена от истинной кристаллографической грани (0001) на угол
около одного градуса в направлении [10 10]. Ширина террас составляет в среднем 200 нм, высота ступени — 0.2 нм. Картина дифракции электронов от таких образцов (рис. 4) содержит кикучи-линии и удлиненные вдоль нормали рефлексы, что говорит о структурном совершенстве кристалла сапфира и наличии на поверхности гладких участков.
Высокотемпературный отжиг образцов приводит к изменению морфологии 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.