НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2013, том 49, № 1, с. 28-32
УДК 621.315.592:539.216.2
КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ ОСТРОВКОВЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ PbSe © 2013 г. О. И. Рабинович*, А. Р. Кушхов*, Д. С. Гаев**
*Национальный исследовательский технологический университет "Московский институт стали и сплавов" e-mail: olegr@misis.ru, askerk@misis.ru **Кабардино-Балкарский государственный университет, Нальчик e-mail: dahir@mail.ru Поступила в редакцию 24.10.2011 г.
Путем направленного смещения фазовых равновесий инконгруэнтным испарением пленочных структур состава Pbi _ xSex получены наноразмерные островковые пленки на основе PbSe. Исследовано влияние условий процесса выращивания на характер распределения островков по размерам.
Б01: 10.7868/80002337X13010119
ВВЕДЕНИЕ
Структуры с самоорганизованными квантово-размерными точками (КТ) на основе селенида свинца имеют перспективу практического использования для высокоэффективных светоизлу-чающих диодов, лазеров, работающих в ИК-диа-пазоне [1, 2]. Это подтверждается и обширными исследованиями, которые ведутся на протяжении последнего десятилетия и ориентированы на создание новых технологий направленного синтеза квантово-размерных островковых структур (КОС), в том числе и с самоорганизованными КТ на основе РЪ8е [3-6].
Структуры с КТ являются предельным случаем островковых пленок, рост которых остановлен на ранних стадиях созревания островковой фазы [7]. Контроль процесса на этих стадиях является крайне сложным как в аппаратной реализации метода получения, так и в управлении процессами роста. Поэтому решение задач, ориентированных на создание технологий управляемого синтеза островковых пленок с заданным комплексом структурных, электрофизических и физико-химических свойств, в целом представляет практический интерес также для интегральной, квантовой и оптической электроники.
КОС на основе РЪ8е получают различными методами: молекулярно-лучевой эпитаксией, газофазной эпитаксией, жидкофазной эпитаксией из раствора-расплава, электроосаждением из химических растворов, коллоидным синтезом [4_ 6]. Среди приведенных методов получения КОС на основе селенида свинца выгодно отличается метод жидкофазной эпитаксии из растворов-расплавов [6]. Этим методом получают структуры с высокой плотностью массива КТ, что достигается
за счет более глубокого концентрационного насыщения на поверхности роста, в отличие от газофазных процессов осаждения. Традиционно концентрационное насыщение раствора в процессе жидкофазной эпитаксии создается за счет снижения температуры в зоне роста, что усиливает неравновесную составляющую протекающих процессов, приводящих к усложнению управления процессом роста. В работе [8] была показана возможность получения и управления процессами роста КОС на основе полупроводниковых соединений, образующихся в системах с легколетучим компонентом, посредством инконгруэнтного испарения пленочной структуры заданного состава в области первичной кристаллизации промежуточной фазы. Физико-химические процессы, лежащие в основе этого метода, близки к методу жидкофазной эпитаксии, но отличаются технологией создания концентрационного насыщения раствора-расплава в зоне роста. Так, в методе ин-конгруэнтного испарения концентрационное насыщение создается в изотермических условиях посредством контролируемого испарения легколетучего компонента из объема жидкой пленки заданного состава, приводящего к смещению фазовых равновесий в области первичной кристаллизации соединения. При этом рост островковой фазы происходит в соответствии с фазовыми равновесиями, протекающими в системе, где формируется промежуточная фаза.
Целью настоящей работы явилось установление возможности роста и исследование свойств КОС методом инконгруэнтного испарения пленок состава РЪ1 _х8ех (х < 0.76).
ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ
На рис. 1 приведена диаграмма фазовых равновесий в системе РЪ—8е. Фазовые равновесия в системе свинец—селен описываются диаграммой состояния дистектического типа с одним соединением РЪ8е и областью расслаивания в пределах 76—98.8 ат. % 8е. Монотектической реакции отвечает температура 960 К. Со стороны 8е эвтектика вырождена, а со стороны олова эвтектической точке соответствует примерно 0.004 ат. % 8е [9].
Пусть соединение РЪ8е характеризуется областью гомогенности у. Линия пара V (линия АКВ на рис. 1) характеризует изменение состава паровой фазы вдоль линии трехфазного равновесия $РЪ$е1У(АМЕ). Для инконгруэнтного испарения возьмем подложку, на которую осаждена однородная пленка состава РЪ1 _ х8ех (х = хх) толщиной Н и плотностью й. Материал подложки химически инертен к материалу пленки, характеризуется низким давлением паров и смачивается расплавом состава РЪ1 _ х8ех при температуре /0. Брутто-состав и давление насыщенного пара, находящегося в равновесии с пленкой при температуре /0, равны и рн соответственно. Испарение при данной температуре смещает брутто-состав х(/) гете-рофазной пленки по коноде ММ от хь к ху, так как Xv > х^ [8]. При брутто-составе х(/) < хь состав пленки окажется в гетерофазной области Ь1 + + ^РЪ8е, таким образом, создаются условия для зарождения первичных кристаллов зародышевой фазы РЪ8е, состав которой равен х^ и отвечает значению края области гомогенности соединения при температуре /0 со стороны селена. Кристаллические зародыши первичных кристаллов будут закрепляться на границе раздела пленка/подложка исходной структуры, поскольку работа образования зародышей по гетерогенному механизму меньше, чем по гомогенному [10]. По мере обеднения пленки селеном масса закритических зародышей соединения РЪ8е в условиях гетерофазности будет расти до тех пор, пока сохраняется маточная жидкая фаза состава х1. При этом поверхностная плотность и скорость роста устойчивых зародышей (островковая фаза) будут определяться концентрационным насыщением, которое задается скоростью испарения (отбора конденсата). При однородности поверхности подложки, теплового поля и условий инконгруэнтного испарения по всей поверхности пленки следует ожидать равномерного распределения центров зародышеобра-зования.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Островковые пленки получали по методике подробно изложенной в работе [8]. В качестве подложек использовали кремниевые монокри-
t, °C 1100
900 to 700
500
" /г L1 + ¿PbSe / Г \.L1 + ¿PbSe X / A \ LT / \\ l . ы A 4 \
- 1 / i / L ■ \"w\l1 + L2 i iV i 1 2i
--i—l-L J, ¿ | l2 + ¿PbSe ! ,
1 1
K B
Se
Pb 0.2 0.4 x¿ x(t) xL 0.8 ат. доли
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Pb—Se.
сталлические пластины марки КДБ-10 с ориентацией рабочей поверхности (111). Пленки осаждали на поверхность пластин при температуре 150°С методом взрывного испарения предварительно синтезированных сплавов Pbt _ xSex.
Для эксперимента были подготовлены 4 группы образцов с пленками различного состава, охватывающие область первичной кристаллизации соединения (линия АМЕ на рис. 1): I — 0.7, II — 0.71, III - 0.72 и IV - 0.75 ат. долей Se. Выбор составов определялся необходимостью, c одной стороны, проведения процесса инконгруэнтного испарения при максимально возможных низких температурах, а с другой — изучения влияния температуры испарения на параметры островковой пленки.
С этой целью была рассмотрена область первичной кристаллизации соединения PbSe в ее низкотемпературной части со стороны селена, охватывающая температурный интервал порядка 70°С. В соответствии с диаграммой состояния системы Pb—Se вышеупомянутым составам пленок соответствуют следующие значения температур начала первичной кристаллизации соединения — 766, 750, 730 и 690°С (рис. 1).
Толщина пленок у всех экспериментальных структур составляла 0.15—0.2 мкм, что позволяет получить при инконгруэнтном испарении ост-ровковые структуры с характеристическими размерами островков в диапазоне 10—30 нм, достаточном для проявления квантово-размерных эффектов на селениде свинца [6]. Толщина исходных пленок измерялась на интерферометре Линника. Завершение процесса инконгруэнтного испарения (момент достижения точки N, рис. 1) фиксировали по стабилизации сопротивления подложки-спутника, расположенного в зоне сбора конденсата. Для инконгруэнтного испарения исходные структуры загружались в эффузионную
30
РАБИНОВИЧ и др.
нм
700
600 500 400 300 200 100 0
(а)
нм
нм
0
18 16 -14 -12 -10 8 -6 -4 -2 0 -1
100200 300 400 500 600 700 нм
(в)
700600
500400 300 200 100
00
600 500 400 300 200 100
h, нм 18
16
14
12
10
8
6
4
(б)
700
100 200 300 400 500 600 Поверхность, нм
(г)
700
0246
8 10 12 14 16 18 h, нм
Рис. 2. АСМ-изображения поверхности островковой пленки селенида свинца на поверхности окисленного кремния после инконгруэнтного испарения пленки состава РЪ0 25^0 75 при давлении аргона 30 кПа и температуре 690°С: а _ топография поверхности образца; в _ 3.0-изображение поверхности; б _ профилограмма поверхности образца по линии АСМ-изображения, приведенного на топограмме; г _ распределение островков по высоте.
0
ячейку и помещались в камеру вакуумной установки. Непосредственно испарение структур проводили в среде аргона при давлении 30 кПа и температуре, которая отвечала температуре ликвидуса исходного состава пленки.
Время испарения для различных структур изменялось от 50 до 200 с. Режимы формирования (О — скорость испарения, ?исп _ температура испарения) исходных пленок по партиям приведены-ниже:
Партия I II III IV
G х 106, г/(см2 с) = 1.2 = 1.5 = 1.8 = 2.1
t °С 'исп' 766 750 730 690
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структурные исследования выращенных ост-ровковых структур проводились методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на приборе Solver Pro EC. Сканирование поверхностей островко-вых пленок проводили на воздухе при нормальных условиях в полуконтактном режиме. Анализ АСМ-изображений с целью выявления особенно-
стей в распределении островков по характеристическим размерам (высота, диаметр) осуществляли с применением программ обработки АСМ-изобра-жений, входящих в состав математического обеспечения Nova. На рис. 2 и 3 приведены типичные для всех образцов АСМ-изображения поверхности экспериментальных структур IV и I партий. Как видно из АСМ-изображений п
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.