WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 3 Модулированная лазерным излучением эпитаксия теллурида свинца © С.В. Пляцко Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина (Получена 7 февраля 1997 г. Принята к печати 14 июля 1997 г.) Исследованы зависимости концентрации свободных носителей тока и их подвижности в слоях PbTe/KCl(KBr), выращенных методом модулированной лазерным инфракрасным излучением эпитаксии, от плотности мощности W лазерного излучения на мишени и температуры Ts подложки. Показано, что, изменяя W и Ts, можно в широких пределах управлять концентрацией свободных носителей как в электронной, так и в дырочной области проводимости (1016 < N, P < 1019 см-3) с подвижностью при 77 K, соответствующей наиболее совершенным кристаллам.

Возможность использования лазерного излучения для с лазерной использовалась молекулярно-лучевая эпитакиспарения различных материалов, в том числе и PbTe, с сия (МЛЭ).

последующей конденсацией в виде тонких пленок была В отношении других полупроводников результаты по показана еще в середине 60-х годов [1–3]. Начиная лазерной эпитаксии выглядят более скромно. В областях с 70-х годов [4–8] эти исследования становятся целе- тонкопленочной технологии, где МЛЭ и МОС-гидриднаправленными и приобретают комплексный характер ный метод испытывают затруднения, это, как правило, как с точки зрения изучения процессов взаимодействия стимулирует развитие новых нетрадиционных методов лазерного излучения с твердым телом, так и механизмов получения эпитаксиальных слоев. В полной мере это роста тонких пленок из пароплазменных потоков. Это относится к сверхпроводящим материалам, где, особенпривело к рождению двух самостоятельных направлений но в последнее время, началось широкое применение в технологии — лазерностимулированная трансформа- для распыления материала–источника лазерного излучеция свойств твердого тела, а также лазерная эпитаксия ния [14].

(такое название является устоявшимся, но практически В этой работе представлены исследования завине отражает физической сути метода). симости электрофизических параметров пленок PbTe По сравнению с традиционными термическими мето- от плотности мощности лазерного излучения на миPbTe дами эпитаксиального выращивания полупроводниковых шени ( < Eg ) и температуры подложки.

соединений AIVBVI модулированная лазерным излуче- Распыление источника–мишени производилось модулинием эпитаксия (МЛИЭ) является более мобильной. В рованным инфракрасным (ИК) лазерным излучением методе МЛИЭ заложена возможность изменения целого ( = 0.118 эВ), которое вводилось через фокусиряда параметров (плотность мощности лазерного из- рующую оптическую систему в вакуумную камеру с лучения, длительность и частота повторения импульса, остаточным давлением паров P = 10-6 Торр.

температура подложки, расстояние мишень–подложка), Структурное совершенство пленок исследовалось мев пределах которых можно получать структурно совер- тодами электронной просвечивающей микроскопии и шенные слои с заданными электрофизическими свой- рентгеновского дифракционного отражения. Полушириствами. на пика дифракционного отражения зависела от толщиВ термических методах выращивания существуют ны слоя h. Для наиболее тонких слоев (h 30 ) строго определенные температурные режимы, за преде- = 40 с, а для наиболее толстых пленок (h = 7мкм) лами которых слои не являются монокристаллическими, величина не превышала 2 мин.

а концентрацией носителей можно управлять только На рис. 1 представлена зависимость концентрации нос помощью дополнительных источников компонент, в сителей тока и их подвижности (T = 77 K) от плотности основном халькогена. мощности W лазерного излучения на монокристалличеИспользуемое для распыления полупроводниковых ис- ской мишени PbTe. В процессе эпитаксии температура точников лазерное излучение можно разделить по спек- подложек KCl, KBr с ориентацией (100) составляла тральной области применения на 2 диапазона: а) энергия Ts = 150C. В области низких значений плотности кванта лазерного излучения ( ) больше ширины запре- мощности (104 < W < 3 · 104 Вт/см2) пленки обладают щенной зоны Eg; б) энергия кванта лазерного излучения проводимостью p-типа. В этом интервале значений W меньше ширины запрещенной зоны ( < Eg). Основ- концентрация дырок P уменьшается на 3 порядка в ная часть работ, посвященная этой проблеме, выполнена пленках на подложках KBr и на 2 порядка в пленках на при условии > Eg. Наиболее существенные ре- подложках KCl, что может быть обусловлено меньшим зультаты по лазерной эпитаксии полупроводниковых со- значением свободной поверхностной энергии плосединений были достигнуты при эпитаксии CdMnTe [13], кости (001) у KBr, чем соответствующей плоскости у CdHgTe [9,10], PbCdSe, PbSe [11,12]. Правда, при KCl (KBr < KCl [19]). При плотности мощности эпитаксии узкощелевых соединений CdHgTe совместно W = (3-3.5) · 104 Вт/см2 происходит инверсия ти300 С.В. Пляцко следующим образом [20]:

PbTe : Pb : Te2 : PbTe2 : Pb2Te= 100 : 13 : 1.0 : 0.14 : (< 0.03).

Энергии диссоциации молекул PbTe и Teдостаточно велики (EPbTe = 246 кДж/моль [20], ETe2 = 219 кДж/моль [21]). Поэтому основным источником халькогена при напылении или при термическом отжиге, по-видимому, является халькоген, который находится в кристалле в виде X2 и не образует со свинцом прочных внутримолекулярных связей.

Как показано в работах [23,24], таких образований в узкощелевых AIVBVI более чем достаточно.

Рис. 1. Зависимость концентрации носителей тока (1, 2) и При лазерном распылении материала испарение проих подвижности µ (3) при T = 77 K от плотности мощноисходит только из зоны действия излучения без образости лазерного излучения на мишени–источнике для образцов:

вания жидкой фазы и, как следствие, без возникновения 1 — PbTe/KBr, 2 — PbTe/KCl.

эффекта разбрызгивания. В этих условиях состав парового потока будет неизменным в процессе напыления (источник в процеесе напыления совершает вращательнопоступательное движение) и смещен в сторону обогапа проводимости с последующим ростом концентрации щения его халькогеном не только вблизи источника, но электронов N при увеличении W. Из рис. 1 видно, и на подложке. Это происходит из-за высокой темперачто зависимости P(W), N(W ) имеют четко выраженное туры материала в зоне воздействия лазерного излучения плато в минимуме, в пределах которого можно воспроизPbTe (T 2500 K), при которой давление паров основного водимо получать слои с низкой концентрацией носителей материала, а также металла и халькогена выше 103 Торр.

тока как дырочной, так и электронной проводимости.

Содержание халькогена в пленке, однако, не будет опреПодвижность носителей при T = 77 K в довольно деляться только температурой источника, а в равной широкой области W соответствует наиболее совершенстепени и температурой подложки, или, если быть боным монокристаллам и пленкам (µ77 > 104 см2/В · с).

лее точным, соотношением халькогена, поступившего Наиболее высокое значение подвижности, полученное на подложку и переиспарившегося с нее. Именно этот для n-PbTe/KCl(KBr), составляло µ77 = 4.5·104 см2/В·с механизм лежит в основе управления электрофизическии наблюдалось в пленках, выращенных на структурно ми свойствами эпитаксиальных структур халькогенидов совершенных подложках с микрорельефом поверхности свинца [22].

<1000.

Однако при использовании для распыления полупроводниковых источников лазерного излучения нельзя не Уменьшение концентрации дырок с увеличением плотучитывать, что выращивание происходит в условиях ности мощности (T = const) свидетельствует об уменьдалеких от равновесных, а это может привести к образошении концентрации акцепторных центров. Ими не мованию новых, различной природы дефектов, в том числе гут непосредственно являться тепловые вакансии Pb, и межузельных. Их концентрация и расположение будут поскольку их концентрация при таких температурах определяться многими внешними факторами и в первую эпитаксии должна быть значительно ниже [15]. К тому очередь плотностью мощности лазерного излучения и же трудно предположить, чтобы с ростом W число температурой эпитаксии. К сожалению, четко разделить тепловых вакансий уменьшалось. С другой стороны, в эти вклады, особенно при низких температурах эпинелегированных кристаллах не установлено существотаксии, затруднительно, поскольку, кроме стационарной вание акцепторов иной природы. Поэтому поведение температуры подложки Ts, существует добавка Tpul, P(W) (рис. 1) можно объяснить, учитывая особенности которая при высоких W может быть сравнима с Ts. Дотехнологии выращивания, возникающие при лазерном бавка Tpul возникает за счет обмена энергией продуктов распылении материала–источника.

распыления с подложкой и будет зависить как от W, так Из-за сильных внутримолекулярных связей, вследи от длительности импульса лазерного излучения pul.

ствие эффекта ”инертной пары электронов”, соединения В нашем случае pul = const, поэтому, учитывая, AIVBVI испаряются в основном в виде молекул. Но все же что используемые значения W значительно ниже тех, в небольшом количестве наблюдаются также и неосновпри которых происходит ”сухое травление” и импланные составляющие разложения паров M, X, X2, MX2, тация, возрастание плотности мощности W вызовет M2X2. Исследование масс-спектров модулированного только увеличение температуры подложки в импульсе.

пучка, образованного кнудсеновским испарением PbTe, Это приведет к понижению коэффициента прилипания показало, что составляющие в пучке распределяются теллура (kTe < kPb, kPbTe). В зависимостях P, N(W ) Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Модулированная лазерным излучением эпитаксия теллурида свинца источника, как и в первом случае, использовались монокристаллы p-PbTe стехиометрического состава, полученные методом Чохральского с концентрацией дырок при T = 77 K P77 = 2.5 · 1016 см-3 и подвижностью µ77 = 1.2 · 104 см2/В · с. Мишень в процессе напыления совершала вращательно-поступательное движение.

До температуры осаждения Ts = 180C концентрация электронов в пленке N = 1.1 · 1018 см-3 практически не изменяется (рис. 2). Дальнейшее повышение температуры подложки (180 < Ts < 280C) приводит к довольно резкому уменьшению концентрации электронов с последующей инверсией типа проводимости (280 < Ts < 330C), а затем к обратной инверсии типа проводимости при температуре эпитаксии Ts 330C.

Подвижность носителей в этой области температур выращивания практически от температуры не зависит (рис. 2, кривая 2).

Известно, что коэффициент прилипания атомов Pb уменьшается в повышением температуры и стремится к нулю при Ts 310C [16]. На рис. 2 видно, что, действительно, вблизи Ts 300C концентрация электронов быстро уменьшается, достигая области инверсии типа проводимости. В этой области температур 280 < Ts < 330C пленки PbTe обладают устойчивым дырочным типом проводимости (P77 =(1016-1017)см-3). Наличие повторной инверсии Рис. 2. Концентрация носителей тока (1) и их подвижность (2) при повышении температуры эпитаксии Ts говорит о при T = 77 K в зависимости от температуры подложки KCl Ts при постоянной плотности мощности лазерного излучения том, что концентрация дырок в этой области темпераW = 8.5 · 104 Вт/см2 на мишени. 3, 4 — зависимости концентур будет определяться результирующей концентрацией трации дырок и электронов, которые обусловлены вакансиями акцепторов, убывающей с температурой, и генерацией Pb и Te, от температуры Ts [15] соответственно.

новых донорных центров. Концентрация этих центров близка к концентрации тепловых вакансий Te, но все же не соответствует ей и имеет тенденцию к насыщению, в то время как концентрация вакансий экспоненциально это проявляется в уменьшении концентрации дырок, растет с температурой (рис. 2, кривая 4). Кроме того, последующей инверсии типа проводимости и увеличеполученная экспериментально зависимость P, N(Ts) при нии концентрации электронов. Такой характер поведеW, T = const, показывает, что область дырочного типа ния P, N(W ) свидетельствует о конкурирующих донорпроводимости не связана с вакансиями Pb, концентрация ных и акцепторных механизмах дефектообразования в которых, так же как и вакансий Te, должна расти с темпленках при использовании для распыления материала– пературой и преобладать во всей области температуры источника лазерного ИК излучения при Ts = 150C. Из эпитаксии Ts (рис. 2, кривая 3).

исследований температурной зависимости постоянной Полученные результаты, с учетом того что состав паХолла в области электронной проводимости следует, что ровой фазы в процессе напыления остается постоянным в роли доноров может выступать межузельный Pb.

(W = const), дают основание предположить, что в пленС другой стороны, повышение температуры эпитаксии ках PbTe, выращенных МЛИЭ, механизм образования (W, T = const), исходя из вышесказанного, также электроактивных дефектов имеет сложный характер и должно приводить к изменению концентрации носитезависит от технологических условий получения. Роль аклей тока в пленке, уже из-за различия коэффициентов цепторов в данном случае, по-видимому, можно связать прилипания Pb и Te и энтальпий образования тепловых с обогащением теллуром сформированного лазерным извакансий собственных компонент.

лучением парового потока. В роли доноров скорее всего На рис. 2 приведена зависимость концентрации и выступают тепловые вакансии Te и межузельный Pb. Поподвижности носителей тока от температуры подложки следнее предположение подтверждается также исследоKCl при постоянной плотности мощности лазерного изванием электронного парамагнитного резонанса пленок лучения на мишени W = 8.5 · 104 Вт/см2 и длительности n-PbTe : Mn, выращенных при W =(7-10) · 104 Вт/см2 и импульса pul = 3 · 10-3 с.

Ts = 150C, в которых наблюдалась только сверхтонкая Такие условия напыления соответствовали эффектив- структура ионов Mn+2, соответствующая положению ной скорости роста Vef f = 160 /c. В качестве мишени– ионов Mn в междоузлиях.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 302 С.В. Пляцко Примесь и тип Концентрация примеси Плотность мощности Тип проводимости и Материал проводимости в источнике мишени, лазерного излучения, концентрация носитеподложки источника 1018см-3 104Вт/см2 лей в пленке, 1018см-Tl, p 4.8 4.5 p, 3.42 KBr Tl, p 4.8 5.1 p, 1.42 KCl Tl, p 9.6 8.8 p, 11.7 KCl Tl, p 9.6 8.8 p, 13.6 KBr Tl, p 4.8 9.1 n, 1.55 KBr Na, p 15.0 9.1 p, 11.8 KBr Na, p 15.0 4.3 p, 15.2 KCl In, p 8.6 9.2 n, 13.4 KCl In, p 8.6 2.1 n, 7.15 KBr Cr, n 6.0 1.2 n, 4.45 KCl Что касается получения легированных слоев PbTe с [5] З.П. Бекетова, С.В. Гапонов, Б.С. Каверин, Б.А. Нестерова, Н.Н. Салащенко. Изв. вузов. Радиофизика, № 6, 908 (1975).

однородным распределением примеси по узлам метал[6] О.К. Филатов, Н.Н. Салащенко, М.М. Кочнев. ФТТ, 7, лической подрешетки, то ранее была показана возмож(1975).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.