КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 3, с. 467-470
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.231:535.016
ПОДАВЛЕНИЕ РОСТОВЫХ ДОМЕНОВ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ ZnO НА СТРУКТУРИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ (0001) ЛЕЙКОСАПФИРА
© 2014 г. В. П. Власов, А. В. Буташин, В. М. Каневский, А. Э. Муслимов, 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 09.12.2013 г.
Слои окиси цинка выращены методом магнетронного распыления в атмосфере кислорода на структурированных поверхностях лейкосапфира. На поверхностях (0001) Al2O3 со ступенями, расположенными на расстояниях от тысяч до десятков тысяч нанометров, наблюдалось образование островков ZnO в двух ориентациях, так называемые домены. На поверхностях (0001) Al2O3, обладающих упорядоченной террасно-ступенчатой структурой, образующиеся вдоль ступеней островки, а затем и пленки ZnO, обладают одной ориентацией. Предлагается еще один метод подавления доменов при росте ZnO на (0001) Al2O3.
DOI: 10.7868/S0023476114030230
ВВЕДЕНИЕ
Пленки ZnO представляют значительный интерес в первую очередь для практического применения. Благодаря значительной запрещенной зоне 3.3 эВ при 300 К и большой энергии связи эк-ситонов (60 мэВ) этот материал является весьма перспективным для применения в оптоэлектрон-ных устройствах. Различные методы получения ZnO, их структурные параметры и электрофизические свойства приводятся во многих публикациях и наиболее полно представлены в обзорах [1, 2].
В обычных условиях термодинамически стабильной фазой ZnO является вюрцит. Структурные типы цинковой обманки и №С1 стабилизируются только при повышенных давлениях. Гексагональная структура ZnO (вюрцита) представлена на рис. 1.
Для получения тонких пленок ZnO используются методы, представленные в [1, 2], каждый из которых имеет как преимущества, так и недостатки. Метод магнетронного распыления имеет целый ряд преимуществ: высокая скорость распыления при небольших давлениях рабочего газа (1 х 101—10 Па) и относительно низких рабочих напряжениях (600—800 В); отсутствие перегрева подложки; малая степень загрязнения пленок; получение равномерных по толщине пленок на большой площади подложек [3, 4].
В качестве подложек используются как кристаллические (полупроводники, диэлектрики), так и аморфные материалы. В последние годы
наиболее используемой подложкой для выращивания пленок ZnO стал сапфир (А^3). Это связано в первую очередь с его высокой степенью кристаллического совершенства, высокой химической и термической стойкостью, а также его доступностью [1, 5]. Однако рост пленки ZnO на с-плоскости (0001) A12O3 приводит к образованию доменной структуры [6], когда домены повернуты вокруг оси [0001] на 30°. Это обусловлено вероят-
Рис. 1. Схематическое представление структуры вюрцита ZnO. и — параметр, определяющий отношение длины связи в и с (0.375 в идеальном кристалле), а и Р (109.47°) углы связей [1].
467 9*
468
ВЛАСОВ и др.
мкм
(a)
(б)
Ш
1.0 мкм
нм 0.2
0
Рис. 2. Террасно-ступенчатая наноструктура А120з(0001) в двумерном (а) и трехмерном (б) представлении, полученная методом АСМ. Высота ступеней 0.22 нм, расстояние между ступенями 100 нм. Направление ступеней (1120.
(2)
ностью двух ориентаций Zn0 на плоскости с А12О3:
Zn0(0001) || А1203(0001) и Zn01010 || А1203(1120, (1)
Zn0(0001) || А1203(0001) и 7п0(1120 || А1203 (1120.
Наличие таких доменов ухудшает структурное качество получаемой пленки Zn0 и, следовательно, отрицательно влияет на ее электронную структуру [7]. Известно, что устранение доменной структуры приводит к увеличению подвижности электронов [8]. Успешное подавление доменной структуры Zn0 было достигнуто при выращивании пленок методом р-МВЕ на других альтернативных плоскостях сапфира [8] и путем предварительной обработки поверхности подложки А1203 [5]. В [9] показано, что подавления доменной структуры пленки Zn0 можно достичь увеличением отношения Zn/02.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Пленки Zn0 получали в установке магнетрон-ного распыления. Распыление мишени, которая представляла собой керамический диск Zn0 диаметром 45 мм и толщиной 4 мм, осуществлялось в атмосфере кислорода при давлении 1.33 Па.
В качестве подложек использовались пластины А1203 (0001) со структурированной поверхностью (рис. 2). Получение террасно-ступенчатой наноструктуры осуществлялось по методике [10]. Было выбрано направление среза (1020 так, чтобы после отжига ступени располагались по этому направлению.
Подложки нагревались до 650 ± 2°C с помощью программного регулятора температуры Тер-модат-19Е2. Угол между плоскостью подложки и плоскостью мишени составил 45°. Расстояние между центрами подложки и мишени — 40 мм. В ряде случаев на подложку прикладывали маску (размер окна маски 5 х 5 мм2), что было необходимо для определения толщины слоя ZnO методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). В некоторых случаях с целью получения "клина" толщины пленки ZnO между подложкой и маской подкла-дывали полоски сапфира толщиной 0.5 мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперименты по росту пленок Zn0 на плоскости (0001) А1203-подложки методом магнетрон-ного распыления при температуре подложки 650°С начинались при малом токе разряда, т.е. при малом потоке Zn0. В первых экспериментах осаждение Zn0 осуществлялось как на структурированную подложку, так и на подложку со стохастически распределенными ступенями, расстояние между которыми было от тысяч до десятков тысяч нанометров. Полученные от этих пленок электронограммы показали, что в начальной стадии островки Zn0 размером 2—5 нм на обеих подложках расположены неориентированно как между собой, так и относительно подложки. Однако наблюдалось расположение островков Zn0 преимущественно вдоль ступеней.
С увеличением толщины слоя Zn0 наблюдаются кардинальные ориентационные изменения. Частицы Zn0, достигая размера 10—20 нм, ориентируются относительно подложки базовой плоскостью:
ПОДАВЛЕНИЕ РОСТОВЫХ ДОМЕНОВ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ Zn0
469
мкм
Рис. 3. АСМ-изображение сплошной пленки оксида цинка на подложках лейкосапфира без регулярного нанорельефа на поверхности.
Zn0(0001) || А1203(0001).
(3)
Однако азимутально они находятся в двух ори-ентациях:
Zn0( 1010 || 1120; Zn0(1120 || А1203( 1120.
Таким образом, можно считать, что образуются домены с поворотом на 30°.
На образце со стохастически распределенными ступенями эта доменная структура сохраняется и при дальнейшем росте до полного образования сплошной пленки Zn0 (рис. 3).
мкм 1.5-
1.04
0.54
"" ^ ^ - ^ЧУ I
> 1 - Ж I
К к
0
0.5
1.0
(4)
(5)
Рис. 4. АСМ-изображение начальных стадий роста пленки Zn0 на подложке лейкосапфира с террасно-ступенчатой наноструктурой на поверхности: стрелками обозначена направленность крупных зародышей, штриховой линией — направление ступеней.
На структурированной поверхности (0001) А1203 частицы Zn0 в процессе увеличения их размеров стягиваются к ступеням, и остается только одна ориентация:
га0( 1010 || 1120,
(6)
так что доменная структура полностью исчезает (рис. 4).
Дальнейший рост Zn0 на структурированной поверхности А1203 приводит к образованию сплошной эпитаксиальной пленки (рис. 5).
мкм
3Н
2Н
У
Ж/л
I- .V
>А
3 мкм
Рис. 5. АСМ-изображение сплошной пленки оксида цинка на подложках лейкосапфира с террасно-ступенчатой наноструктурой на поверхности. На врезке электронограмма от этой пленки.
мкм
1
0
1
2
470
ВЛАСОВ и др.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ранних сообщениях устранение поворотных 30°-ных доменов достигалось изменением ориентации плоскости роста, предварительной обработкой с-поверхности Al2O3, использованием других материалов подложек или варьированием отношения Zn/O. В настоящей работе показано, что подавление роста 30°-ных доменов при росте пленок ZnO на с-плоскости Al2O3 можно достичь, используя структурированную поверхность Al2O3. Ступени на подложке Al2O3 ориентируют растущие островки ZnO в одном направлении.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП ИК РАН при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 13-02-01065а и госзадание № 2.2172.2011) и Программы стратегического развития "Дагестанский государственный университет".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ozgur U., Alivov Y.J., Liu C. et al. // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 041301.
2. Fan J.C., Sreekanth K.M., Chang S.L. et al. // Prog. Mater. Sci. 2013. V. 58. P. 874.
3. Yeong S.H., Lee J.W. // Thin Solid Films. 2003. V. 435. № 3. P. 78.
4. Zhukov R.N., Bykov A.S., Kiselev D.A. et al. // J. Alloys and Compounds. 2014. V. 586. P. 336.
5. DuX.L., MurakamiM., JwakiH., Yoshikawa A. // Phys. Status Solidi. 2002. V 192. P. 183.
6. Liu Y.-Z., Ying M.J., Du X.L. et al. // J. Cryst. Growth. 2006. V. 290. P. 631.
7. Zeng Z.Q., Liu Y.Z., Huan H.T. et al. // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 081911.
8. Nakahara K., Takasu H., Fons P. et al. // J. Cryst. Growth. 2001. V 923. P. 227.
9. Trautnitz T., Sorgenfrei R., Fiederle M. // J. Cryst. Growth. 2010. V. 312. P. 624.
10. Буташин А.В., Власов В.П., Каневский В.М. и др. // Кристаллография. 2012. Т. 57. № 6. С. 927.
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.