КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 3, с. 463-466
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.231:535.016
ОСОБЕННОСТИ РОСТА ПЛЕНОК AIIBVl НА ПОДЛОЖКАХ (0001) Al2O3
© 2014 г. А. В. Буташин, В. М. Каневский, А. Э. Муслимов, Е. В. Ракова, В. И. Михайлов, В. А. Бабаев*, А. М. Исмаилов*, М. Х. Рабаданов*
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: amuslimov@mail.ru * Дагестанский государственный университет, Махачкала Поступила в редакцию 27.09.2013 г.
Изучена структура и ориентация пленок CdTe, ZnO на сапфире в зависимости от способа обработки подложек перед наращиванием. 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, на поверхности которых имеется система гладких террас и ступеней, растут эпитаксиальные пленки CdTe с кубической структурой типа сфалерита, ориентированные плоскостью (111) параллельно подложке. Для пленок ZnO с гексагональной структурой типа вюрцита, полученных методом магнетронного напыления, наблюдается аналогичная зависимость между структурным совершенством пленок и режимом обработки подложек лейкосапфира. Показано, что термический отжиг на воздухе пластин сапфира с ориентацией (0001) является оптимальным способом подготовки подложек для получения эпитаксиальных ZnO пленок базисной ориентации. Полученные эпитаксиальные пленки CdTe содержат некоторое количество дефектов структуры (мозаичность, двойники), тогда как эпитаксиальные пленки ZnO при той же обработке подложек являются практически совершенными.
DOI: 10.7868/S0023476114030072
ВВЕДЕНИЕ
Кристаллы теллурида кадмия СёТе, принадлежащие к группе полупроводниковых соединений АиВж, применяются в качестве подложек при нанесении эпитаксиальных слоев СёЩТе для ИК-детекторов и для изготовления чувствительных элементов детекторов рентгеновского и у-излуче-ния. Они привлекают внимание как перспективный материал для современной фотоники. Другой представитель семейства АиВж — кристалл оксида цинка ZnO — служит для изготовления детекторов и сенсоров различных типов, а также рассматривается в качестве подложек для получения гетероструктур на основе ОаМ для целей оптоэлектроники.
Однако получение этих кристаллов расплав-ным методом осложняется интенсивным испарением компонентов расплава, а также наличием у СёТе серии высокотемпературных полиморфных фазовых переходов. Альтернативой объемным кристаллам ZnO и СёТе являются эпитаксиаль-ные пленки на различных кристаллических
Структурные данные изучаемых кристаллов
подложках. Для получения пленок применяются методы молекулярно-лучевой эпитаксии, газофазного химического осаждения из металлоор-ганических соединений, лазерной абляции, маг-нетронного распыления [1—6]. Среди возможных монокристаллических подложек чаще всего используются пластины сапфира а-А1203 с ориентацией (0001). Параметры кристаллических решеток Zn0, СёТе, А1203 приведены в табл. 1. Отмечено, что гетероэпитаксиальные пленки Zn0 и СёТе содержат двойники, домены, различающиеся ориентацией полярных осей; кроме того, поверхность таких пленок шероховатая [1—6].
Поскольку совершенство структуры 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 Zn0 и СёТе. В данной работе изучено влияние термической обработки подложек А1203 (0001), предваря-
Состав Структурный тип Пр. гр. а, нм с, нм Z Литература
Al2O3 корунд R3 с 0.47540(5) 1.29820(6) 6 [7]
ZnO вюрцит P63mc 0.3249(6) 0.52042(20) 2 [8]
CdTe сфалерит F4 3m 0.64827(8) 4 [9]
464
БУТАШИН и др.
мкм мкм x нм
Рис. 1. АСМ-изображение поверхности сапфировой пластины, отклоненной на угол а = 0.5° от плоскости (0001) после химико-механической полировки (а); после отжига на воздухе при 1200°С (б). Профиль сечения поверхности сапфировой пластины после отжига (в).
ющей процесс эпитаксии, на структуру выращенных пленок ZnO и CdTe.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты по выращиванию пленок проводились на лабораторных установках магне-тронного распыления (ZnO) и молекулярно-лу-чевой эпитаксии (CdTe). Для определения фазового состава и ориентации пленок использовали метод дифракции быстрых электронов в геометрии на отражение.
Осаждение пленок CdTe проводилось из раздельных источников Cd и Te2. Оптимальные условия были выбраны на основе масс-спектро-метрических данных о десорбции компонентов с поверхности образца, когда "отражается" незначительная доля обоих потоков и имеется взаимное влияние одного компонента на другой, а именно: температура подложки — 400°С, молекулярные потоки Cd и Te2 — 0.1 монослоя в секунду [10]. Пленки ZnO получали методом магнетронного распыления керамической мишени ZnO (диаметр 40 мм, толщина 4 мм) на постоянном токе в атмосфере кислорода (давление P = 4—12 Па, плотность тока j = 10—60 мА см-2, температура подложки t = 600-650°С, скорость роста пленки ~6 нм с-1) [11].
Морфологию поверхности сапфировых подложек и выращенных пленок ZnO и CdTe исследовали на атомно-силовом микроскопе (АСМ) "Ntegra Aura" (НТ-МДТ, Зеленоград) в режиме топографии. Подложки диаметром около 20 мм вырезали из стандартных пластин Al2O3 производства ИК РАН с односторонней химико-механической полировкой до средней шероховатости поверхности не более 0.3 нм [12]. Ориентация поверхности подложек отклонялась от кристалло-
графической плоскости (0001) на угол а в диапазоне 0.1°—1 °. Для рекристаллизации поверхности подложек и формирования на ней ступенчатой наноразмерной структуры с террасами из атомно-гладких граней (0001) образцы отжигались на воздухе или в вакууме при температуре 1000° С и выше [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Морфология поверхности подложек. Типичная морфология исходных подложек после химико-механической полировки показана на рис. 1а. Видно, что на поверхности присутствует система ступеней, торцы которых имеют неровные очертания. Высокотемпературный отжиг образцов приводит к изменению морфологии поверхности (рис. 1): независимо от среды отжига (воздух, вакуум) на ней формируются наноструктуры, состоящие из ступеней с атомно-гладкими террасами и ровными торцами. Электронограммы отожженных на воздухе образцов, снятые при малых углах падения электронного пучка на поверхность, содержат систему вытянутых вдоль нормали к плоскости (0001) рефлексов, что является признаком двумерной дифракции электронов и подтверждает данные атомно-силовой микроскопии о формировании атомно-гладких террас [10].
Структура и морфология поверхности пленок. В обоих изученных процессах установлено, что эпитаксиальный рост пленок ¿пО и СёТе имел место только на сапфировых подложках, подвергнутых отжигу на воздухе и содержащих систему гладких террас и ступеней (рис. 2). Индицирова-ние электронограмм показало, что пленки ¿пО ориентированы плоскостью (0001) параллельно подложке с соблюдением следующего соотношения:
ОСОБЕННОСТИ РОСТА ПЛЕНОК
465
• » • -
• • • 002 012 | | 333 513 222
ф 000 (б)Й|£ 000
Рис. 2. Электронограммы пленок ZnO (а) толщиной 570 нм и CdTe (б) толщиной 110 нм, выращенных на сапфировых подложках, отожженных на воздухе при 1000°С.
(0001) [ 1010]ZnO || (0001)[ 1120 ]Al2O3. (1)
Пленки CdTe растут гранью октаэдра параллельно базисной грани сапфира:
(111) [ 110 ]CdTe || (0001)[ 1120]Al2O3. (2)
На поверхности подложек, прошедших лишь химико-механическую полировку, а также отожженных в вакууме P< 0.13 Па и содержащих тер-расно-ступенчатые наноструктуры с атомно-гладкими террасами, росли блочные текстуриро-ванные пленки ZnO или неориентированные поликристаллические пленки CdTe. Отсутствие эпитаксиального роста CdTe или блочность ZnO объясняется, по-видимому, тем, что после полировки на поверхности подложек имеются структурные нарушения (скопления вакансий, смещенные атомы), препятствующие ориентированному зарождению и росту пленок. Отжиг в вакууме в свою очередь приводит к нарушению стехиометрии оксида алюминия и искажению кристаллической решетки [13, 14], что также затрудняет процесс зародышеобразования.
2004
1004
ОН-,-,-,-1
0 100 200 300 нм
Анализ электронограмм эпитаксиальных пленок СёТе показывает, что они являются мозаичными и содержат двойники с осью двойникова-ния (111). Вероятно, в пленке содержатся кристаллиты, для которых справедливо соотношение
(111) [ 112 ]СёТе || (0001)[ 1120]А1203, (3)
и именно они отвечают за появление слабых дополнительных рефлексов на электронограмме пленки СёТе (рис. 2б). На рис. 3а представлено АСМ-изображение поверхности эпитаксиальной пленки СёТе, которая состоит из кристаллитов с латеральными размерами около 50 нм, и судя по габитусу кристаллитов в пленке имеются двойники, ориентированные в соответствии с соотношениями (2) и (3).
Эпитаксиальные пленки Zn0 имеют более совершенную структуру, чем пленки СёТе, и морфология поверхности указывает на то, что кристаллиты (рис. 3б) ориентированы относительно подложки в соответствии с соотношением (1). Присутствие дополнительных рефлексов на эле-кроннограмах пленок Zn0, выращенных на сап-
(б)
Рис. 3. АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок СЛе (а) и Zn0 (б) на подложках, отожженных на воздухе при 1000°С.
466
БУТАШИН и др.
фировых подложках после химико-механической полировки или отожженных в вакууме, указывает на наличие кристаллитов, для которых справедливо соотношение
(0001)[ 1120]2п0 || (0001)[ 1120 ]А12О3. (4)
Причина столь существенных различий в качестве эпитаксиальных пленок ¿пО и СёТе на сапфировых (0001) подложках с учетом того, что скорость роста пленок ¿пО в данном случае многократно превосходит скорость роста пленок СёТе, может заключаться в том, что рассогласование параметров ячейки СёТе и сапфира составляет всего 3.7% для обоих ориентационных соотношений (2) и (3) [5]. Для пары ¿пО/сапфир это рассогласование составляет 18.4% при соотношении (1) и 31.8% при соотношении (4) [6], что приводит к подавлению мозаичности пленки ¿пО/сапфир
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.