Глава IV

МЕХАНИЗМ РОСТА ПЛЕНОК.

ВОЗМОЖНОСТЬ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

4.1. Расчет упругих механических напряжений в структурах

пленка/подложка, возникающих из-за разницы термических

коэффициентов расширения

В структурах пленка/подложка возникают различные деформации

сжатия-растяжения, обусловленные рассогласованием параметров решетки и различием коэффициентов термического расширения пленки и подложки. Расчет механических напряжений в приближении двухслойной структуры с

учетом коэффициента термического растяжения предложен в работе [122]:

_∆ 6E₂₁₂ h₂∆^T ,

1₂3h₁ 4h₂

(4.1)

где E₂ - модуль Юнга для пленки,₁,₂ - температурные коэффициенты

расширения подложки и пленки, ∆T - разность температур,₂ - коэффициент

Пуассона пленки, h₁, h₂ - толщины подложки и пленки при условии h₁>>h₂.

Согласно работе [123] упругие деформации, вызванные решеточным

рассогласованием параметров решетки, прямо пропорциональны отношению

∆а/а=(а_ZnSe-a_Si)/a_Si и при T=300 К для пленок ZnSe на Si составляют 4,36%.

Вблизи границы раздела упругие деформации можно оценить по формуле

[124]

_∆a≅ E₁ 2a₁ a₂ _,

_a1 a₂

(4.2)

где E₁ - продольный модуль упругости ZnSе, a₁, a₂ - параметры решеток

пленки и подложки соответственно. Такая рассогласованность системы

пленка/подложка приводит к возникновению двумерного напряжения сжатия. По мере увеличения толщины пленки двумерное деформационное напряжение

сжатия может ослабляться вследствие образования дислокаций

несоответствия.

104

Результаты теоретических расчетов упругих механических напряжений,

вызванные различием коэффициентов термического расширения,

представлены на рис. 4.1-4.2 для систем ZnSe(=7,1·10^-6 К^-1)/Si(=4,15·10^-6 К^-1),

ZnSe/SiO₂(=0,55·10^-6 К^-1), ZnS(=6.5·10^-6 К^-1)/Si, ZnS/SiO₂ и ZnS/NaCl

(=44·10^-6 К^-1).

Значения механических напряжений имеют противоположный знак, который означает, что пленки ZnS, осажденные на кварцевой и кремниевой

подложке, подвергнуты механическим напряжениям сжатия, ана

монокристалле поваренной соли - растяжению. На кварцевых и кремниевых

подложках образование гексагональной фазы маловероятно всвязи

возникновением механических напряжений сжатия, а на монокристалле соли созданы благоприятные условия для возникновения высокотемпературной вюрцитной фазы (рис. 3.12). При этом из рис. 4.2 видно, что с понижением температуры конденсации увеличивается значение механических напряжений,

что коррелирует с увеличением размеров гексагональной фазы (рис. 3.12).

Для пленок сульфида и селенида цинка, осажденных на кремниевые

подложки зависимость механических напряжений от температуры

конденсации носит идентичный характер, т.е. с уменьшением температуры конденсации от 273 К до 123 К происходит увеличение значения

механических увеличений для сульфида цинка от 15⋅10⁹ Н/м² до 67⋅10⁹ Н/м², а

для селенида цинка от 7⋅10⁹ Н/м² до 42⋅10⁹ Н/м². Пленки селенида и сульфида

цинка полученные на кварцевых подложках, имеют идентичную зависимость.

Изменение механических напряжений, возникающих в пленках селенида цинка при различной температуре конденсации, имеет идентичный характер с периодом кристаллической решетки, т.е. при увеличении механических напряжений с понижением температуры конденсации период решетки ZnSe пропорционально уменьшается (рис. 3.11).

Химический анализ показал, что пленки селенида цинка (таблица 3.1),

полученные при 273 К, близки к стехиометрическому составу, а период

105

Механические напряжения, вызванные различием коэффициента

термического расширения ZnSe/подложка

Рис. 4.1.

Механические напряжения, вызванные различием коэффициента

термического расширения ZnS/подложка

Рис. 4.2.

106

решётки этих плёнок имеет значения, близкие к периоду решётки исходного

порошка. При 123 К и 273 К преобладает тот или иной элемент.

Можно предположить, что основной причиной уменьшения периода кристаллической решетки селенида цинка являются упругие механические напряжения сжатия, возникающие в результате разницы коэффициентов термического расширения пленки/подложки. Стехиометрический состав может оказывать в этом случае малое влияние на период решетки.

Существенное влияние на изменение величины ширины запрещенной

зоны вполупроводниках оказывают три фактора: размер зерна,

стехиометрический состав и структурные дефекты (наличие другой фазы, вакансии междоузельных атомов цинка и серы) [125].

Результаты исследований показывают, что с понижением температуры

конденсации происходит:

—уменьшение размера зерна (рис.3.13). Зависимость энергии

запрещенной зоны от среднего диаметра кристаллов имеет минимум при

температуре конденсации 223 К (рис.3.25),

— увеличение концентрации растворенного кислорода в пленке сульфида цинка (таблица 3.2). При 273 К избыток серы достигает 16,1 ат.%, а при

понижении температуры состав пленок приближается к стехиометрическому,

— увеличение размера включений гексагональной фазы в кубической матрице.

В работе [126] показано, что увеличение концентрации растворенного кислорода в пленках сульфида цинка приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны. С другой стороны, замечено, что уменьшение размера кристаллов приводит к увеличению ширины запрещенной зоны [40]. Кроме

того, ширина запрещенной зоны зависит от упругих напряжений,

возникающих в пленках [125]. Конкуренция между этими процессами является причиной наличия минимума на зависимости ширины запрещенной от температуры конденсации (рис.3.24).

107

Структура, оптические свойства пленок сульфида и селенида цинка

зависят от механических напряжений, вызванных различием коэффициентов термического расширения пленка/подложка.