научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК PB1-XSMXX(ГДЕ X–SE, TE; X = 0.01–0.04) НА ПОРИСТОМ КРЕМНИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК PB1-XSMXX(ГДЕ X–SE, TE; X = 0.01–0.04) НА ПОРИСТОМ КРЕМНИИ»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2011, том 56, № 4, с. 747-750

ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК Pb1-xSmX (ГДЕ X-Se, Te; х = 0.01-0.04)

НА ПОРИСТОМ КРЕМНИИ © 2011 г. Г. Г. Гусейнов, Г. А. Гасанов

Институт физики НАНАзербайджана, Баку E-mail: hummat.hasanov@gmail.com Поступила в редакцию 15.09.2010 г.

Получена и исследована структура пленок Pb^xSmxX (где X — Se, Te; x = 0.01-0.04). Подробно описан метод получения буферного пористого слоя кремния. Установлено, что для всех образцов, за исключением случая с аморфной пленкой на поверхности пористого кремния, реальная структура пленок состоит из блоков размерами 10—50 мкм и не зависит от морфологии пористого слоя.

Способ формирования буферных слоев на основе пористого кремния (ПК) является низкотемпературным и совместимым с технологическими процессами микроэлектроники. Кроме того, применение ПК позволяет варьировать величину удельного сопротивления в широких пределах. Пленки халькогенидов свинца и твердых растворов на их основе применяются как базовые элементы для создания инфракрасных полупроводниковых лазеров, работающих при комнатной температуре, высокоэффективных термоэлектрических преобразователей, работающих в области средних температур, а также высокочувствительных приемников излучения, работающих в дальнем инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах. Поэтому изучение процесса эпитаксиального роста пленок полупроводников, сформированных на основе халькогенидов свинца с участием лантаноидов, в частности самария — элемента, 4/-уровень которого способен серьезно повлиять на процессы переноса носителей заряда, представляется актуальным.

В данной работе приводятся экспериментальные данные, полученные при росте пленок РЪ1-х8ш х8е и РЪ1-х8ш хТе различными методами на поверхности ПК.

ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для синтеза твердых растворов РЪ1-х8ш х Те использовали материалы с чистотой не менее 99.99—99.90%. Для получения более чистых веществ с содержанием малых примесей элементы подвергали дополнительной очистке путем зонного плавления. Синтез сплавов системы РЪ1-х8ш х Те проводили в запаенных кварцевых ампулах. Перед использованием ампулы тщательно очищали от пыли жира и других загрязнений.

Ампулу, загруженную шихтой соответствующего состава, откачивали до давления 10—3—10-4 мм

рт. ст. и запаивали. Запаянную ампулу помещали в печь и нагревали до температуры, превышающей температуру плавления синтезируемого сплава приблизительно на 40—50°С. При более сильном перегреве качество слитка ухудшается.

После достижения температуры плавления ампулу выдерживали в печи в течение 30 мин при периодическом перемешивании расплава. Для уменьшения ликваций и получения более однородных сплавов проводили быстрое охлаждение ампулы. Синтез проводили по предварительно снятой термограмме синтеза. На всех этапах синтеза сплавов системы РЪ1-х8ш х Те тщательно защитили расплав от проникновения кислорода. Присутствие кислорода приводит к загрязнению образцов и созданию устойчивой проводимости ^-типа. Результаты проведенных рентгенографического, дифференциально-термического, микроструктурного анализов подтвердили получение твердых растворов системы РЪ1-х8ш х Те.

Данные, показывающие вид ПК, способ выращивания, условия роста и характеристику полученных слоев, приведены в табл. 1. В качестве исходных подложек использовались пластины кремния с ориентациями (111) и (100). Толщина буферного пористого слоя составляла 5—30 мкм. Величина пористости не превышала 35%. На серии образцов проводилась операция плазмохи-мического травления для удаления поверхностной аморфизированной пленки. Для нанесения пленок твердых растворов РЪ1-х8шхХ на основе халькогенидов свинца применялись методы термовакуумного осаждения, горячей стенки и моле-кулярно-лучевой эпитаксии. Температура подложки (?пл) варьировалась в пределах 50—400°С. Толщина выращенных пленок РЪ1-х8ш хХ (где X - 8е,Те; х = 0.01-0.04) составила 0.3—1.3 мкм. Структурное совершенство пленок исследовалось методом рентгеновской дифрактометрии. Как следует из таблицы, буферный слой ПК при

Таблица 1. Методы получения и свойства пленок (РЬХ)1 _х($т2Х3)х на пористом кремнии

Кристаллическая ориентация исход- Буферный пористый слой Пленка Метод и условия роста Структурные параметры

(111) (100) (100) (111) Макропористый » » » Pb0.99Sm0.01Te Pb0.98Sm0.02Te Pb0.97Sm0.03Te Pb0.96Sm0.04Te термовакуумное осаждение, ?пл = 400°С (100)-аксиальнотексту-рированный, размеры блоков 30—80 мкм

(111) Макропористый + + аморфный слой Pb0.96Sm0.04Te термовакуумное осаждение, ?пл = 400°С поликристаллическая, ориентация (111), (100)

(111) Макропористый Pb0.96Sm0.04Te горячая стенка, ?пл = 50°С поликристаллическая, ориентация (100), (110), (210)(100)

Макропористый Pb0.99Sm0.01Se термовакуумное осаждение, ?пл = 150°С поликристаллическая, ориентация (100), (110), (311), (211)

(100) Макропористый Pb0.99Sm0.01Se ТВО, ?пл = 400°С поликристаллическая, плохая адгезия

(100) Макропористый + электронное облучение Pb0.99Sm0.01Se термовакуумное осаждение,? пл = 150°С (100)-аксиально тексту-рированный

(100) Макропористый Pb0.96Sm0.04Te молекулярнолучевая эпитаксия, ?пл = 250° С (100)-аксиальнотексту-рированный

Таблица 2. Технологические условия формирования слоев ПК

Исходный кремний Режимы анодирования Толщина ПК, мкм Пористость, % Аморфная пленка на поверхности

(111) 46%-ный водный раствор HF, 10 мА/см2, 20—40 мин 25-30 15-20 Нет

(100) 46%-ный водный раствор HF + изопропанол (1 : 1), 2-5 25-28 Нет

30 мА/см2, 5—15 мин

(100) 46%-ный водный раствор HF, 10 мА/см2, 10—25 мин 10-15 5-9 Нет

(111) 46%-ный водный раствор HF, 5 мА/см2, 20—55 мин 4-20 16-20 Есть

определенных условиях способен приводить к формированию качественных аксиально тексту-рированных пленок Pb1-xSmxX с высокой адгезией к подложке. Полученные пленки не содержали пор, микротрещин и выдерживали многократное термоциклирование 350—80—350 К.

Подробно остановимся только на одном из перечисленных случаев — на выращивании аксиально текстурированных пленок Pb1-xSmxTe методом термовакуумного осаждения.

Исследования проводились на кремниевых подложках ориентации (111) и (100). Информация о применяемых подложках и параметрах буферного слоя представлена в табл. 2. Слои ПК были сформированы методом Унно—Имаи [1] при подсветке 320 лк. После анодного электрохимического травления образцы промывались в потоке дистиллированной воды в течение 20 мин и высушивались при температуре 75°С в течение 40 мин. Пористость буферного слоя составляла менее 20% для обеспечения механической прочности кристаллической матрицы. Для удаления

поверхностной аморфизированной пленки проводилась операция плазмохимического травления. Дополнительной химической обработки перед эпитаксией не проводилось. Рост пленок РЬ1-х8т хТе толщиной 0.50—0.85 мкм проводился в вакууме 10-6 торр при температуре подложки 400°С. Выбранная температура подложки, с одной стороны, соответствует условиям роста качественных пленок РЬ1-х8т х Те на поверхности пористого кремния, с другой стороны, не превышает значения температур для ПК, при которых происходит резкое изменение удельного сопротивления.

Выращенные пленки твердых растворов РЬ1-х8т хТе на основе теллурида свинца имели зеркально гладкую поверхность и хорошую адгезию к ПК. Процессов отслаивания или появления трещин в многослойной структуре РЬ0.968т0.04Те/ПК/81 не наблюдалось даже при многократных циклах "охлаждение—нагревание" (350—80—350 К). Изучение химического состава и профиля распределения атомов свинца, самария

Рис. 1. Блочная структура пленок РЪ0.9б$ш0.04Те, выявленная при помощи селективного химического травления.

и теллура в объеме пленки Pb0 96Sm0 04Te, выполненное при помощи Оже-спектрометра PHI-660, показало однородное распределение Pb, Sm и Te как по толщине пленки, так и по поверхности, параллельной подложке. Исследование морфологии поверхности было осуществлено на электронном сканирующем микроскопе TESLA и акустическом микроскопе ELSAM. Изучаемые пленки были сплошными и не содержали трещин, пустот, пор, включений металлов или халь-когена. Поры в объеме пленки отсутствовали даже в случае макропористого буферного слоя с диаметром пор около 1 мкм. Это объясняется как заполнением устья пор продуктами электрохимических реакций, так и "нависанием" растущей пленки над порами [2, 4]. Для выявления границ зерен был использован селективный травитель, состоящий из 18 мл 50%-ного гидроксида калия, 4.5 мл глицерина и 2.5 мл перекиси водорода [5]. Для всех образцов, за исключением случая с аморфной пленкой на поверхности ПК, пленка состояла из блоков (рис. 1) размерами 10—50 мкм и ее структура не зависела от морфологии пористого слоя.

Строение пленок было исследовано при помощи рентгеновского дифрактометра ДРОН1-УМ с использованием кобальтового источника с излучением 1.7889 А (Ха1) и 1.7928 А(Ка2). Типичные

дифрактограммы пленок Pb0 96Sm0 04Te, полученных на ПК без аморфной пленки, показаны на рис. 2а. В этом случае на рентгеновских дифрак-тограммах проявлялись только рефлексы, относящиеся к теллуриду свинца ориентации (100) и характеризующиеся большой интенсивностью. Полуширина линий не превышала аппаратной ширины, свидетельствуя о том, что области когерентного рассеяния превышают 1000 А. Рефлекс (600) Pb0 96Sm0 04Te четко разделяется на Ка1- и