Введение к работе
з
Актуальность темы. Монокристаллы и тонкие пленки оксида цинка, благодаря уникальным физико-химическим свойствам, нашли ширЪкое применение в микро-, опто-, акустоэлектронике, космической технике, производстве люминофоров, катализаторов, детекторов газов и др. Среди пьезополупровод-никовых материалов, используемых в настоящее время в акустоэлектронике, лучшим является оксид цинка, поскольку он обладает наивысшим значением коэффициента электромеханической связи. Во многих фундаментальных исследованиях оксид цинка стал "модельным" материалом, позволяющим разобраться в различных явлениях физики и химии твердого тела, его поверхности.
К проблеме синтеза монокристаллов и монокристаллических слоев и пленок ZnO исследователи подходили исходя из опыта кристаллизации других соединений. Однако такой подход не приводил к решению проблемы: удавалось получать и исследовать свойства лишь небольших кристаллов и пленок, получаемых в слабо контролируемых условиях.
В работе [1] теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что известные трудности получения ZnO в монокристаллическом состоянии с воспроизводимыми свойствами обусловлены анизотропией его структуры. Показано, что для ZnO стехиометрического состава более естественно нахождение в поликристаллическом состоянии и для реализации монокристаллического состояния требуется уменьшение величины потенциала взаимодействия между подслоями ионов цинка и кислорода двойных слоев его структуры, параллельных плоскости базиса. Такая цель в этой работе достигнута введением в растущий кристалл донорной примеси для частичной компенсации электростатических полей взаимодействия подслоев ионов цинка и кислорода.
Большое количество публикаций посвящено получению пленок ZnO методами ионного распыления (диодным, триодным, магнетронным). В основном усилия технологов были направлены на получение высокоомных пленок ZnO как можно с меньшим углом разориентации кристаллитов в пленке, поскольку с
уменьшением этого параметра возрастает коэффициент электромеханической связи. Из анализа литературных данных следует:
Интервал температуры подложки высокоориентированного роста пленок у разных авторов меняется в широких пределах (200-400 С), минимальное значение угла разориентации кристаллитов равно 1,5-2.
Ухудшение структурного совершенства пленок с ростом скорости осаждения. Максимальная скорость в магнетронной системе не превышает 2,5 нм/с для текстурированных пленок и 0,3 нм/с для эпитаксиальных.
Противоречивость результатов разных авторов о зависимости структуры пленок от условий получения и неоднозначность их объяснения.
Данные факты явно указывают на еще недостаточное понимание всех процессов, происходящих в катодных распылительных системах, включая процессы формирования структуры самих пленок ZnO.
Практически отсутствуют в литературе сообщения о фотоэлектрических свойствах пленок ZnO, хотя во многих работах сообщается о получении пленок с высоким удельным электрическим сопротивлением (р>1010 Ом-см).
Актуальной на сегодняшний день является одна из важнейших проблем кристаллизации: получение ориентированных (в том числе монокристаллических) пленок на неориентирующих подложках. В этом направлении наибольшее распространение получили различные варианты метода искусственной эпитаксии. Наряду с этим предложены и другие подходы, которые отличаются способами обеспечения ориентации. Уровень разработанности у этих подходов различен: одни из них уже близки для реализации на практике, а другие могут рассматриваться лишь в плане отдаленной перспективы. Предложение нового подхода (метода) было бы ценным дополнением к известным методам, особенно, если он совместим с планарной технологией микроэлектроники.
Цель работы. Уменьшение величины потенциала взаимодействия между подслоями ионов цинка и кислорода в структуре ZnO можно обеспечить также непрерывной зарядкой растущей поверхности пленки (цинковой стороны) отрицательным зарядом. Данная работа посвящена реализации указанной воз-
можности при получении пленок ZnO в магнетронной системе распыления. Известно, что диэлектрик (или изолированный проводник) помещенный в плазму заряжается отрицательно до определенного, так называемого, плавающего потенциала. Конечной целью работы является разработка технологии получения высокоориентированных высокоомных пленок ZnO с учетом его структурной особенности и исследование их электрических и оптических свойств в зависимости от условий получения.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые осуществлен процесс кристаллизации оксида цинка в магнетронной системе распыления с учетом кристаллохимической особенности его структуры. Экспериментально обоснована правомерность использования отрицательного потенциала Un, до которого заряжается подложка в системе, в качестве технологического параметра, наиболее сильно определяющего совершенство структуры и свойства пленок. В ходе выполнения работы получены следующие результаты.
Впервые на аморфных подложках получены пленки ZnO с равным нулю углом аксиальной разориентации кристаллитов. Такой структуры пленки предложено называть одноосно-эпитаксиалъными, дополняя классификацию ориентации, предложенную Бауэром [2].
Установлено, что технологическими параметрами, наиболее сильно определяющими структурное совершенство пленок, являются отрицательный потенциал на подложке и ее температура. В координатной плоскости Tn-Un этих параметров определена двумерная область роста одноосно-эпитаксиальных пленок ZnO: Тп=500-700 С; Un=9-12 В.
Предложены два метода реконструкции поверхности (0001)А12О3. Получены эпитаксиальные пленки ZnO на реконструированной поверхности (0001)А12О3 и (112 0) А1203. При этом базисная плоскость (OOOl)ZnO растет параллельно поверхности подложки.
Получены нелегированные фоточувствительные пленки ZnO (при освещенности В=100 Вт/м2 сопротивление образцов падает на 4-5 порядков без их дополнительной термообработки после получения).
Научная и практическая значимость работы. Определены оптимальные технологические параметры осуществления процесса получения одноосно-эпитаксиальных и эпитаксиальных пленок ZnO, структура и свойства которых позволяют использовать их в различных приборах опто-и акустоэлектроники, при создании фоторезисторов, пьезопреобразователей, оптических волноводов и т.д. Предложены два метода целенаправленной реконструкции поверхности монокристаллического сапфира, причем, при одном из них есть возможность выбора (подбора) параметров структуры поверхности на определенном этапе ее реконструкции. Данным способом реконструктированную поверхность (0001)А12О3 удается использовать в качестве подложки при получении эпитаксиальных пленок других полупроводниковых соединений.
Наш подход к кристаллизации вещества и установленные в работе закономерности формирования структуры пленок могут быть использованы в ионно-плазменных методах получения пленок других соединений. В первую очередь, это касается веществ с вюрцитной структурой, таких как BeO, GaN, A1N, InN и др., которые легко могут быть получены реактивным распылением соответствующих металлов, что подтверждено нами в процессе работы и в этом направлении.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработка технологии получения одноосно-эпитаксиальных пленок ZnO на аморфной поверхности с большими скоростями роста (до 7 нм/ с).
Доказательство того, что отрицательный потенциал Un на подложке является технологическим параметром, оказывающим влияние на степень совершенства структуры пленок как на начальном этапе формирования пленки, так и при последующем ее росте.
Установление области роста одноосно-эпитаксиальных пленок ZnO в плоскости технологических параметров Tn-Un: Тп=500-700 С, Un=9-12 В.
Объяснение физического механизма формирования двумерной кристаллической решетки на начальном этапе роста пленки.
Установление причин отсутствия эпитаксии ZnO на чистой поверхности (0001)А12Оз и разработка двух способов реконструкции этой поверхно-
сти в целях осуществления эпитаксии на ней. Осуществление процесса получения эпитаксиальных пленок ZnO базисной ориентации на поверхности (1120)А12О3 и реконструированной поверхности (0001)А12О3. 6. Получение фоточувствительных пленок ZnO и установление того, что эти свойства определяются межкристаллитной областью одноосно-эпитаксиальной структуры пленок. Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на: Всероссийской конференции "Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами" (Нальчик, 1995, 1998); Международной конференции "Фазовые переходы и критические явления в конденсированных средах" (Махачкала, 1998); Всероссийской конференции по физической электронике "ФЭ-99" (Махачкала, 1999); Международной конференции, посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (Махачкала, 1999); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 1999); IX Национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2000); Ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава физического факультета Даггосуниверситета 1995-2000 гг. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 137 наименований. Общий объем работы составляет 134 страниц, включая 33 рисунка.
