259 ЛАЗЕРНО-ИМПУЛЬСНОЕ ОСАЖДЕНИЕ СТРУКТУР НА

ЛАЗЕРНО-ИМПУЛЬСНОЕ ОСАЖДЕНИЕ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ CdTe И Bi
Еремян А.С., Аветисян О.Н., Авджян К.Э., Варданян Г.Г., Плузян Г.В.
Институт Радиофизики и электроники НАН Армении,
ул. Бр. Алиханян 1, 378410, Аштарак, Армения
ВВЕДЕНИЕ
Важной особенностью лазерного импульсного осаждения (ЛИО) как метода роста пленок
является то, что в результате лазерной абляции мишени материала поток вещества, осаждаемого
на подложку, характеризуется энергетической дисперсией составляющих частиц: ионов, атомов,
электронов [1,2]. Изменение энергии осаждаемых частиц в широких пределах (от 25 до 150 эВ в
большинстве случаев) различными способами [1-4] позволяет получать сложные вещества и
метастабильные фазы, которые трудно получить с использованием равновесных методов роста.
В частности, это относится к слоям CdTe и структурам CdTe\Bi с резкими границами перехода,
рассмотренным в данной работе. В ряде работ [4,5] было показано, что в особых неравновесных
условиях можно вырастить слои CdTe с кристаллической структурой гексагонального
вюртцита, в то время, как обычной формой кристаллизации для этого вещества является
структура сфалерита (кубической цинковой обманки). Наряду с другими технологическими
параметрами, такими как тип и температура подложки, ключевую роль в определении условий
роста метастабильной фазы в методе ЛИО играет энергетическое состояние плазмы
аблированного вещества. В случае сильноориентирующих подложек, которые изначально
характеризуются большой плотностью активных центров зародышеобразования (например,
рассмотренной здесь подложки слюды) энергия плазмы, управляемая интенсивностью
испаряющего импульса является ключевым параметром при определении оптимальных
режимов роста пленки.
В данной работе методом ЛИО на подложках слюды были получены слои CdTe и
многослойные наноструктуры CdTe\Bi\CdTe---. Найдены режимы роста пленок CdTe со
структурой гексагонального вюртцита. Демонстрируется способ снижения температуры роста,
позволяющая выращивать квантово-ямочные структуры с резкими границами переходов.
ДЕТАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Установка ЛИО состоит из лазера Nd3+:YAG с модулированной добротностью (длина
волны 1.06 мкм, длительность импульса 30 нс и энергия в импульсе 1.54 Дж) и вакуумной
камеры с остаточным давлением 2x10-6 мм рт.ст. Слои CdTe были осаждены из мишени
соединения CdTe на подложках слюды. Для электронно-дифракционных исследований в
режиме пропускания слой CdTe и слоистая структура CdTe\Bi отделялись от подложки
следующим способом: на подложку изначально осаждался слой KBr с толщиной порядка 100 Å
– достаточно тонкой для сохранения ориентирующих свойств слюды, затем пленки выделялись
от подложки путем растворения KBr в воде. Анализ дифракционных картин проводится с
использованием программы, разработанной с помощью пакета Mathematica. Исследование
режимов роста проводилось с изменением температуры подложки и интенсивности лазера в
зоне облучения мишени. Толщина (количество) вещества, осаждаемого за один испаряющий
импульс контролируется интерферометрическими измерениями, а также с использованием
измерительной системы Filmetrics F20.
259
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Осаждение CdTe из мишени соединения
Электронно-дифракционные исследования показали, что в области температур
подложки100-200 oC и при сравнительно высоких интенсивностях лазера (>~1.5⋅108 Вт/см2 или
поток энергии ~4.5 Дж/см2) слои имеют поликристаллическую структуру. В отличие от более
обычной для CdTe кубической структуры (сфалерит), наблюдаемые дифракционные кольца
соответствуют отражениям от слоев с гексагональной структурой. При тех же интенсивностях,
но в температурной области 200-320 oC, наблюдается мозаичная картина, соответствующая
структуре гексагональной плотной упаковки с дефектами упаковки. Анализ картин, снятых при
различных углах падения электронного пучка показал, что перпендикулярно базисной оси
гексагональной ячейки имеется плоскость скольжения. То есть, полученная структура обладает
пространственной группой симметрии P63mc, как и вюртцит ZnS.
Слои CdTe, строго ориентированные вдоль направления [00.2], были получены при
меньших интенсивностях испаряющего лазера. Индицированная на Рис. 1 картина
соответствует интенсивности 1,0⋅108 Вт/см2 и температуре подложки 300 oC.
Наблюдаемая зависимость структуры пленки от интенсивности
лазера объясняется механизмом воздействия потока частиц на
поверхность подложки: уменьшение интенсивности лазера
соответствует уменьшению средней кинетической энергии ионов
(порядка 25 эВ при интенсивности ~1,0⋅108 Вт/см2), т.е.
уменьшению количества частиц, индуцирующих дефекты в
приповерхностной области подложки. С одной стороны,
интенсивный поток вещества способствует уменьшению
температуры кристаллического роста. Используя же «умеренный»
поток, при котором не разрушаются изначально сильноориентирующие свойства подложки слюды, достигается
оптимальный режим роста пленки без дефектов.
Рис. 1
2. Осаждение нанослоистых структур Bi-CdTe
В ранней работе [3] нами сообщалось о ЛИО пленок висмута на подложках KBr.
Монокристаллические слои Bi получались начиная с температуры T=60 oC. При этом
структурное качество слоев не зависело от интенсивности в широкой (IBi = (1.65-3.3) х108
Вт/см2) области интенсивности лазера и сохранялось до температуры 180 oC – температуры
реиспарения висмута от поверхности KBr. В случае рассмотренных здесь подложек слюды
ориентированный рост пленок висмута наблюдается в той же температурной области, однако
при меньших интенсивностях лазера. (~0,5х108 Вт/см2). При этом нанослои висмута с толщиной
~50 Ǻ строго ориентированы вдоль тригональной оси [111] ромбоэдрической ячейки
(направление [00.3] в гексагональных обозначениях).
Найденные режимы роста слоев вюртцита CdТе и висмута для нас представляют особый
интерес в связи с возможностью получения многослойных наноструктур CdTe-Bi-CdTe. Однако,
как следует из результатов, приведенных в разделе 1, температура монокристаллического роста
вюртцита CdTe (~300 oC) намного больше температуры реиспарения Bi (~180 oC).
Наши исследования показали, что существенного снижения температуры роста слоев CdTe
можно достигать в этом случае, если на подложке слюда\KBr(100 Ǻ) (см. детали эксперимента
260
выше), сначала осаждается субмонослой висмута (с толщиной ~7 Ǻ). При той же интенсивности
лазера (0,5х108 Вт/см2) дальнейший рост монокристаллического CdTe (с электроннограммой,
идентичной показанной на рис.1) на такой подложке происходит уже при температурах 170 oC, с
плоским параметром решетки, близким к параметру висмута (4.546 Å).
Дифракционная картина слоистой структуры CdTe(350Ǻ)-Bi(50
Ǻ), полученнoй данным способом, показана на рис. 2.
Протяженные точки в матрице рефлексов CdTe (ср. Рис. 1),
соответствуют слою висмута с преимущественной ориентацией
плоскости плотной упаковки вдоль поверхности. Протяженность
и наличие избыточных рефлексов указывает на то, что, по
сравнению с «чистой» подложкой слюда\KBr, кристалличность
нарушена: происходит деформация решетки висмута вдоль
тригональной оси и трансформация решетки от ромбоэдрической
к гексагональной плотной упаковке. Вследствие этого на
дифракционной картине наблюдаются рефлексы, отсутствующие
в случае ромбоэдрической решетки из-за систематических
Рис. 2
погашений. Мы полагаем, что качество слоев висмута на CdTe
при таких низких температурах может быть улучшено варьированием интенсивности
испаряющего лазера на мишени висмута.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение, методом лазерно-импульсного осаждения на подложках слюды получены
монокристаллические слои слои CdTe, а также многослойные наноструктуры CdTe-Bi-CdTe---.
Найдены режимы роста слоев CdTe со структурой гексагонального вюртцита.
Было установлено, что путем осаждения на подложку начального субмонослоя висмута
можно существенно снизить (от 300 до 170 oC) температуру монокристаллического роста
данной метастабильной фазы при умеренных значениях интенсивности испаряющего лазера.
Наблюдаемая зависимость структуры (гексагональная или кубическая) слоев от интенсивности
лазера связывается с энергетическим состоянием плазмы аблированного вещества и ее
воздействием на ориентирующие свойства поверхности подложки. Найденные технологические
режимы позволяют получить многослойные резкие гетероструктуры с чередованием
согласованных по параметрам решеток и со-ориентированных базисной плоскостью
гексагональной упаковки нанослоев Bi и CdTe.
Работа выполнена в рамках Государственной целевой программы Республики Армения
«Полупроводниковая наноэлектрноника».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] S. Fahler, H. Krebs. Appl. Surf. Sci. 96-98, 61 (1996); J. Lunney, ibid., 86, 79 (1995).
[2] A. Alexanian, N. Aramyan, K. Avjyan, A. Khachatryan, R. Grigoryan, A. Yeremyan.
Combinatorial and High-Throughput Discovery and Optimization of Catalysts and Materials,
(edited by R. Potyrailo and W.F. Maier). CRC Press, NY. (2007). ch. 23.
[3] A.G. Alexanian, H.N. Avetisyan, K.E. Avjyan, N.S. Aramyan, G.A. Aleksanyan, R.P. Grigoryan,
A.M. Khachatryan, A.S. Yeremyan, Proc. MRS, 799, 2003, paper Z2.9.1.
[4] I. Spinulescu-Curnaru. phys. stat. sol. 15 , 761 (1966).
[5] Y. Yezhovsky, I. Kalinkin, Thin solid Films, 18, 12 (1973); D. B. Holt, ibid., 37, 91 (1976).
261