- •Глава I. Нанокристаллические пленки а2в6: синтез, структура, свойства
- •Глава II. Приборы и методы эксперимента
- •Глава III. Структурные и оптические свойства нанокристаллических
- •Глава IV. Механизм роста пленок. Возможности их использования.
- •Глава I
- •1.1. Свойства и особенности полупроводников а2в6
- •1.2. Структура и свойства сульфида и селенида цинка
- •1.3. Влияние структуры на оптические свойства
- •1.4. Свойства пленок а2в6, полученных при отрицательных
- •1.6. Основные стадии формирования пленок вакуумным методом
- •Глава II
- •2.1. Сверхвысоковакуумная установка
- •2.2. Получение нанокристаллических пленок сульфида и селенида цинка
- •2.3. Методы исследования пленок
- •2.3.1. Определение интегральной скорости роста пленки
- •2.3.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (рфэс)
- •2.3.3. Вторичная ионная масс-спектрометрия (вимс) пленок
- •2.3.4. Рентгеноструктурные исследования пленок
- •2.3.5. Электронно-микроскопические исследования
- •2.3.6. Асм - исследования тонких полупроводниковых пленок
- •Глава III
- •3.1. Влияние температуры конденсации на скорость роста пленки
- •3.2. Рентгеноэлектронная спектроскопия пленок селенида и сульфида
- •3.3. Исследование структурных характеристик пленок
- •3.3.1. Рентгеноструктурный анализ
- •3.3.2. Просвечивающая электронная микроскопия
- •3.4. Атомно-силовая микроскопия
- •3.5. Оптические свойства
- •Глава IV
- •4.1. Расчет упругих механических напряжений в структурах
- •4.2. Механизмы роста пленок селенида и сульфида цинка
- •4.3. Влияние температуры отжига на структуру пленок сульфида цинка,
- •4.5. Электролюминесцентные источники на базе нанокомпозитных
2.3.6. Асм - исследования тонких полупроводниковых пленок
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) [113] открыл новые возможности
изучения рельефа поверхности. АСМ позволяет получать на воздухе и в
жидкости изображения топографии поверхности снанометровым
разрешением как проводящих, так и непроводящих веществ. Метод атомно- силовой микроскопии, подобно механическому профилометру, основан на использовании механического зонда для получения изображения поверхности. В конструкцию микроскопа (рис. 2.9) входит зонд (1), представляющий собой пирамидку или конус с размерами порядка несколько микрон (радиус закругления кончика зонда составляет ~10 нм), закрепленный на упругой балке - кантилевере (2). Зонд движется на расстоянии ~ 1 нм над поверхностью образца как бы, «ощупывая», ее [114].
66
Схема сканирующего атомно-силового микроскопа
4~
X
Z
3
Y
2
5
1
9
6
ОС
7
IS=T-B8
VS
1 - зонд; 2 - кантилевер, 3 - пьезоэлектрические двигатели x, y, z, 4 - генератор развертки x, y, 5 - лазер, 6 - зеркало, 7 - квадрантный фотодетектор,
8 - компаратор, 9 - электронная цепь обратной связи
Рис. 2.9.
67
Главной особенностью атомно-силовой микроскопии является сенсор с
высоким пространственным разрешением. Принцип действия силового сенсора основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. Аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие.
Условно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности с помощью АСМ можно разбить на две большие группы -
контактные квазистатические и бесконтактные колебательные [115].
В контактных квазистатических методиках взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. В этом случае кантилевер выгнут по направлению образца. При работе АСМ в таких режимах используют кантилеверы с относительно малыми коэффициентами
жесткости, например, тонкопленочные V-образные Si3N, кантилеверы с
упругой константой k 0,03 0,6 Н/м.
Измерение силы, действующей между поверхностью и острием,
осуществляется по отклонению кантилевера от положения равновесия.
Атомно-силовой сенсор представляет собой механический зонд,
чувствительность которого настолько высока, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельными атомами.
Соотношение между силой, воздействующей на зонд, F и отклонением
кантилевера x определяется законом Гука:
Fkx . (2.19)
При использовании кантилевера с упругой константой k порядка 1 Н/м
под действием силы взаимодействия между двумя атомами порядка 0,1 пН величина отклонения таких кантилеверов составляет ~ 0,1 нм.
При изменении силы, действующей между поверхностью и зондом, кантилевер, на котором он закреплен, отклоняется от положения равновесия, и такое отклонение регистрируется датчиком положения кантилевера (рис. 2.9),
состоящим из полупроводникового лазера (5), зеркала (6) и
68
четырехсекционного (квадрантного) фотодиода (7 ). При отклонении
кантилевера отраженный от него луч лазера смещается относительно центра квадрантного фотодетектора. Таким образом, отклонение кантеливера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. Компаратор (8) сравнивает текущий сигнал
в цепи сенсора с изначально заданным VS (характеризует уровень силы, на
котором зонд удерживается от поверхности образца) и, при его отклонении,
вырабатывает корректирующий сигнал. При работе в режиме постоянной силы взаимодействие зонда с образцом поддерживается постоянным за счет приближения и отвода зонда от поверхности системой обратной связи (9).
Обратная связь отрабатывает изменение положения зонда, управляя
пьезоприводом [115-118] таким образом, чтобы сила между зондом и образцом была постоянной. Сигнал о высоте z в каждой точке изображения (х, y) берется из канала Z-пьезопривода. В режиме переменной силы (постоянного отклонения) сканирование происходит при постоянной высоте укрепленного на сканере конца кантилевера над поверхностью образца. Для изображения топографии поверхности используется сигнал непосредственно с АСМ сенсора.
Для анализа процессов роста и морфологических характеристик пленок
селенида и сульфида цинка проводились АСМ исследования на сканирующем
атомно-силовом микроскопе SOLVER Р47-PRO в контактном режиме
.2.3.7. Определение оптических параметров и оптической ширины
запрещенной зоны пленок
Для описания оптических свойств твердых тел вводится комплексный
показатель преломления
n* n ik . (2.20)
Из уравнений Максвелла следует, что распространяющаяся в веществе с
показателем преломления n* в направлении x электромагнитная волна
описывается выражением
69
n*
x ,
E x E 0 ex p i t
c
(2.21)
гд е Ex - компонента вектора напряженности электрического поля в
направлении x . С учетом (2.20) получаем
E x E 0 ex p k x ex p t n x .
c
c
(2.22)
Выражение (2.22) описывает волну с частотой , распространяющуюся со скоростью c n и затухающую по закону exp(kx c) . Коэффициент k
характеризует поглощение ввеществе. Этот коэффициент называют
коэффициентом экстинкции. Из (2.22) видно, что n - это обычный показатель преломления в кристалле. На практике обычно измеряют интенсивность света
I , которая пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в
волне. Из (2.22) следует, что интенсивность волны уменьшается с глубиной
проникновения x по закону
I ( x ) ~ ex p 2 kx ex p ( x )
(2.23)
c
где - называется коэффициентом поглощения
2k / c 4k / . (2.24)
Коэффициент поглощения рассчитывается по данным измерений
прозрачности (коэффициента пропускания) образца.
Часть световой энергии, падающей на твердое тело, отражается от
поверхности кристалла. Коэффициент R , представляющей собой долю
отраженного от твердого тела света и определяемый соотношением
RI
R
(2.25)
I
o
называется коэффициентом отражения. Здесь I R и I0 - интенсивности
отраженной и падающей световых волн.
70
Коэффициентом пропускания T называется отношение интенсивностей
прошедшей IT и падающей I0 световых волн
T IT I . 0
(2.26)
Если толщина образца d много больше длины волны , то связь между
коэффициентом пропускания T , коэффициентом отражения R и выглядит
следующим образом
(1 R)2 1 / 4n2
r
r
T
ex p ( d ) R 2 ex p ( d ) ,
(2.27)
где n - показатель преломления материала.
В области изменения прозрачности от (1 R) (1 R) до 10% для
пропускания получается более простая формула:
(1 R)2 exp(d )
T
1 R 2 exp(2d ) .
(2.28)
Когда T 10 % , формула (2.28) приобретает вид
T (1 R)2 exp(d ) , (2.29)
откуда
1⋅ ln (1 R)2
,
(2.30)
dT
где d - толщина образца, R, Т - коэффициенты отражения и пропускания
образца [119].
Из (2.30) следует, что для расчета кроме коэффициента пропускания
необходимо измерить еще и коэффициент отражения R .
Для определения n(h) использовали формулы, полученные в работе [120]. В этой работе показано, что в случае k2<<n2 (k-коэффициент экстинкции в комплексном показателе преломления) для однородной пленки коэффициент пропускания, с учетом многократного отражения на трех границах раздела
сред, определяется формулой
71
гд е
T
A⋅ x
B C⋅ x⋅ cosϕ D⋅ x2
,
(2.31)
A 16⋅ n 2⋅ n s , (2.32)
Bn13⋅ n n2 ,
s
(2.33)
C 2⋅n1⋅n n,
2
2
2
s
(2.34)
Dn1⋅n n,
3
2
s
(2.35)
ϕ 4d , k , x exp d. (2.36)
4
Экстремальные значения в спектре пропускания
A⋅ x
Tmax
B C⋅ x D⋅ x2
A⋅ x
,
(2.37)
Tmin
B C⋅ x D⋅ x2
.
(2.38)
Используя формулы (2.37) и (2.38), можно определить спектральную
зависимость коэффициента преломления n(h) однородной пленки в области
прозрачности и слабого поглощения:
n N N 2 n2
s
1/ 2 1/ 2
,
(2.39)
где N 2⋅ ns⋅ Tmax Tmin ns21 . 2
Tmax Tmin
(2.40)
Оптическую ширину запрещенной зоны определяли по методу Тауца из
спектральной зависимости коэффициента поглощения. Для получения
спектров пропускания и отражения использовался спектрофотометр СФ-26.
Выводы по второй главе
Разработана сверхвысоковакуумная установка термического напыления ,
позволяющая получать методом термического напыления пленки
полупроводниковых соединений при рабочем давлении 10-6Па в диапазоне температур конденсации от 123 К до 873 К и контролем in situ остаточной атмосферы.
Отработана технология получения пленок сульфида и селенида цинка на охлаждаемые подложки.
72
Определен оптимальный режим ионно-плазменной обработки
поверхности кварцевой подложки: рабочее давление кислорода в вакуумной камере при обработке поверхности 1 Па, мощность высокочастного (ВЧ) разряда 300 Вт, время обработки составляет 300 минут.
Описаны методы и режимы, применяемые при исследовании пленок
сульфида иселенида цинка: рентгеновской дифрактометрии,
рентгеноэлектронной спектроскопии, атомно-силовой микроскопии (АСМ), вторично-ионной масс спектроскопии (ВИМС), электронной микроскопии, а также методики определения скорости роста пленок и оптических параметров.
73