Диссертация (1149967), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Газовая смесь состояла из аргона и кислородачистотой 99,9995%, количество кислорода составляло 41% от общегоколичества газов в камере при давлении 0.14 Па. Мощность магнетронасоставляла 300 Вт, толщина полученного оксида меди (I) – до 3мкм.Условные обозначения образцов представлены в таблице 6.1ОбозначениеМатериалПодложкаРежим ростаM474Оксид меди (I)Si(100)низкотемпературныйM706аОксид меди (I)Si(100)высокотемпературныйM706bОксид меди (I)КварцвысокотемпературныйобразцаТаблица 7.1 – Обозначения образцов, используемые в работе100На рис. 6.1 представлено СЭМ-изображение пленки оксида меди (I)осажденной на кремниевую подложку в низкотемпературном режиме роста(образец M474).
Она характеризуется резкой границей и имеет сравнительногладкую поверхность.Рисунок 6.1. СЭМ изображение пленки Cu2O, осажденной на кремниевуюподложку в низкотемпературном режиме роста (образец М474)Было установлено, что эта пленка имеет существенное отклонение отстехиометрии(недостатоккислорода),связанноесособенностямипримененного режима роста [69].Повышение температуры роста до 450 °С способствует увеличениювероятности адатомов встраиваться в узлы кристаллической решеткирастущей пленки. Повышенная мощность магнетрона придает осаждаемыматомам дополнительную энергию для осуществления перемещений поповерхности растущего слоя.
Так, при использовании высокотемпературногорежима роста оксида меди (I) на поверхности кремниевой подложки (образецM706a) формируется микрокристаллическая фаза с отчетливо видимой101огранкой кристаллитов (рис. 6.2а). На рис. 6.2b представлено изображениеобразца M706a в поперечном сколе.Рисунок 6.2 - СЭМ изображение пленки Cu2O, осажденной на кремниевуюподложку в высокотемпературном режиме роста (образец М706a): a) поверхность образца,b) поперечный сколПохожий рельеф наблюдается в похожих работах по формированиюоксида меди в растворе [70].102Согласно данным рентгеновской дифракции, высокотемпературныйоксид меди имеет отчетливые рефлексы, положение которых соответствуеттеоретическим значениям (рис.
6.3).Рисунок 6.3 - Дифрактометрическая кривая качания для образца Cu2O толщиной 3мкм, осажденного на кремниевую подложку в высокотемпературном режиме роста(образец М706a) [69]Размытие спектра связано с вкладом инструментальной ширины линии,обусловленнойвпервуюочередьширинойдиафрагмы(1мм),ограничивающей пучок рентгеновских лучей.6.3 Оптические свойства плёнок Cu2OОксид меди (I) относится к прямозонным полупроводникам, ширинаего запрещённой зоны составляет 2,17 эВ. На рис.
6.4 показана схема зонкристалла Cu2O в Г-точке [71].103Рисунок 6.4 – Схема зон Cu2O в Г-точке [71]Обозначения в скобках – симметрия блоховских функций валентнойзоны и зон проводимости в Г-точке (k = 0), без скобок – симметрия волновыхфункций с учетом спинов. Зона, показанная штриховой линией, в оптике ненаблюдается, она получается в расчетах зонной структуры. Валентная зонарасщеплена спин-орбитальным взаимодействием.У закиси меди есть центр инверсии, так что состояния делятся начетные и нечетные.
Названия серий экситонов условные, по цвету областиспектра. Переходы в нижнюю зону проводимости – запрещенные дипольные(четности начального и конечного состояний одинаковые). Переходы вверхнюю зону проводимости – разрешенные дипольные, сила осцилляторабольшая, хорошо видны в отражении. n = 1 – первый член желтой серии, 1s –104состояние; разрешен только в квадрупольном приближении, время жизни поотношению к излучению в этом состоянии очень большое, экситоны,которые быстро оказываются на этом нижнем экситонном уровне, успеваютисчезнуть безызлучательно.
Именно поэтому даже в довольно хорошихкристаллах закиси меди, выращенных окислением меди, не наблюдаетсялюминесценция экситонов, она есть только в кристаллах (природных исинтетических), которые получаются гидротермальным способом (переносвещества, слабо растворяемого в жидкости (для Cu2O это вода), из горячейзоны в холодную, в лабораторных условиях при высоком давлении). Этомаленькие кристаллы, обычно с природной огранкой.Как и в большинстве окислов, основные дефекты – это собственныедефекты – вакансии, атомы в междоузлиях, нарушение стехиометрии (длязакиси, видимо, избыток кислорода).6.4ОптическиесвойствапленокCu2O,выращенныхметодоммагнетронного распыленияПровестисравнениекачествапленок,выращенныхввысокотемпературном режиме, и объемных кристаллов Cu2O можно наоснове их низкотемпературных спектров отражения в области экситонныхрезонансов,соответствующихдипольно-разрешеннымпереходамизвалентных зон Г7+ и Г8+ в зону проводимости Г3– с энергиями при низкихтемпературах 2,62 и 2,75 эВ соответственно [71].
Экситонные состояния,соответствующие переходам в нижнюю четную зону проводимости Г6+ сэнергиями 2,17 и 2,31 эВ относятся к типу дипольно-запрещенных с малойсилой осциллятора, в спектрах отражения они проявляются слабо [71].Видно, что ширина контуров экситонного отражения в спектрах образцаМ706а, выращенного на кремниевой подложке в высокотемпературномрежиме, и высококачественного кристалла, полученного гидротермальнымметодом, мало отличаются друг от друга (рис. 6.5).105Рисунок 6.5 - Спектры отражения Cu2O при Т = 5 К: объемный кристалл,выращенный гидротермальным методом (a); пленки, выращенные методом магнетронногораспыления в высокотемпературном режиме при повышенном давлении кислорода накремниевой (b) и стеклянной (с) подложках; пленка, выращенная в низкотемпературномрежиме (d). Структура в спектрах отражения соответствует экситонным резонансамдипольно-разрешенных межзонных переходовКонтурыэкситонногоотражениявспектреобразцаМ706a,выращенного в высокотемпературном режиме на кремниевой подложке,уширены и сдвинуты в сторону низких энергий, так что качество образцаМ706b выше.В области прозрачности пленок Cu2O наблюдаютсяинтерференционные полосы, различие в периодичности полос в спектрахобразцов М706а и М706b объясняется тем, что кремниевая подложка в этойобласти непрозрачна, в отличие от стеклянной.
Коротковолновые границыобрыва интерференционных полос различаются в этих образцах более чем на0.1 эВ, несмотря на одинаковую толщину пленок Cu2O. Это можно объяснить106более резким краем поглощения дипольно-запрещенных переходов в пленке,выращенной на стеклянной подложке, что также свидетельствует о ее болеевысоком качестве. Отметим, что в спектрах пленок Сu2O, выращенных внизкотемпературном режиме (М474), экситонная структура в отражениивообщененаблюдается(рис.6.5),атакжеотсутствуетсистемаинтерференционных полос вследствие неоднородности пленки по толщине.Особенности n2 и n3 в спектре пропускания пленки Cu2O, выращенной ввысокотемпературномрежиме,(рис.6.6)соответствуютэкситоннымрезонансам с квантовыми числами 2 и 3 дипольно-запрещенного межзонногоперехода Г8+ – Г6+.Рисунок 6.6.
Спектры пропускания пленок Сu2O, выращенных ввысокотемпературном (а) и низкотемпературном (b) режимах на стеклянных подложках,n2 и n3 – энергии линий экситонной серии, соответствующей межзонному переходу Г8 –Г6. Т = 80 К1076.5 Спектры КРС плёнок Cu2O, выращенных методом магнетронногораспыленияОбъёмные кристаллы Cu2O относятся к группе симметрии ℎ4 ,т.е.,являются кубическими. Однако выращенные плёнки, в частности на MgO,могут быть и орторомбическими [72].Спектры КРС пленок М706 и высококачественного объемногокристалла закиси меди практически не отличаются друг от друга (рис.
6.7).Рисунок 6.7 - Резонансное КРС в Cu2O при Т = 300 К: a – объемный кристалл,выращенный гидротермальным методом; b – пленки, выращенные методоммагнетронного распыления в высокотемпературном режиме при повышенном давлениикислорода на кремниевой и стеклянной подложках; c – пленка, выращенная внизкотемпературном режиме на стеклянной подложке. Симметрия фононов, участвующихв рассеянии, указана около соответствующих стоксовских компонент спектра108Спектрыполученыспомощьюлазерасэнергиейфотонов,превышающей ширину запрещенной зоны Cu2O, так что рассеяние являетсярезонансным. Этот тип рассеяния впервые исследовался в закиси меди вработе [73], в его спектре сильно проявляются нечетные по симметриифононные состояния, в том числе дипольно-активные моды 3T1g(1) и T1g(2)при сравнительно малой интенсивности колебательной моды T1u+.
Дляспектров пленок Cu2O, выращенных в низкотемпературном режиме,характерныбòльшаядополнительнаяширинаструктура,основныхинициированнаяфононныхкомпонентсобственнымиидефектамирешетки [69].Таким образом, спектры КРС слоев Cu2O, полученных методоммагнетронного распыления, свидетельствуют об их хорошо выраженнойкубической кристаллической структуре.Отметим, что экситонная люминесценция наблюдается в кристаллахзакиси меди, выращенных гидротермальным способом [74], в пленках,выращенных нами методом магнетронного распыления, она отсутствует, каки в объемных кристаллах, выращенных методом окисления меди.Выводы к главе 6-Оптическиеспектрыпленокзакисимеди, выращенныхметодоммагнетронного распыления, показывают, что качество пленок сравнимо скачеством объемных кристаллов, выращенных традиционными способами.- Наиболее совершенные пленки закиси меди формируются на кремниевыхподложках при температуре подложки 450оС, мощности магнетрона 300 Вт,давлении газов 0,14 Па и парциальном давлении кислорода около 40%.109ЗаключениеВ заключении приведены основные результаты работы.- Трансформация спектров люминесценции эпитаксиальных слое нитридагаллия, легированных кремнием в широком диапазоне концентраций,соответствует представлениям об образовании примесной зоны и ее слиянияс зоной проводимости, а также находится в согласии с концентрационнойзависимостью вида вольт-амперных характеристик.- Структура и температурная зависимость спектров люминесценциинелегированных и слабо легированных эпитаксиальных слоев нитридагаллия, выращенных из газовой фазы,свидетельствует об их высокомкачестве.-Концентрациисвободныхэлектронов,определенныепоспектрамкомбинационного рассеяния легированных кремнием эпитаксиальных слоенитрида галлия, где наблюдаются плазмон-фононные моды, находятся всогласии с данными электрофизических измерений.- Оптические спектры, полученные от различных характерных областей нелегированногоспециальнообъемногокристалланитридагаллия,выращенного из газовой фазы с переходом от режима роста 3D к режиму 2D,свидетельствуют о сильном различии качества кристаллической решетки вэтих характерных областях.- Сравнение оптических спектров не легированного специально объемногокристалла нитрида галлиясо спектрами тонких эпитаксиальных слоев,легированных кремнием, позволяет оценить концентрацию дефектов вразличных характерных областях объемного кристалла.- Характеризация оптическими методами кристаллических пленок оксидовцинка и меди, методом магнетронного распыления свидетельствует о том,что их качество при выборе оптимальных режимов роста сопоставимо скачеством кристаллов, выращенных традиционными методами.- Из полученных спектров следует, что оптимальными параметрами дляполучения высококачественных пленок окиси цинка являются температура110подложки 450оС, мощность магнетрона 150 Вт, давление газа в камере 0,25Па при парциальном давлении кислорода около 30%.- Наиболее совершенные пленки закиси меди формируются на кремниевыхподложках при температуре подложки 450оС, мощности магнетрона 300 Вт,давлении газов 0,14 Па и парциальном давлении кислорода около 40%.БлагодарностиАвтор выражает искреннюю признательность и благодарностьнаучному руководителю доктору физико-математических наук, профессоруАгекяну Вадиму Фадеевичу;сотрудникам кафедры физики твёрдого тела Серову Алексею Юрьевичу иФилософову Николаю Глебовичу за помощь в получении спектровлюминесценции исследуемых полупроводниковых структур и помощь винтерпретации некоторых данных;директору ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследованиявещества», кандидату физико-математических наук, доценту КурочкинуАлексею Викторовичу за ценные консультации;сотрудникамресурсногоцентра«Оптическиеилазерныеметодыисследования вещества» СПбГУ;сотрудникам Академического Университета за предоставленные образцы дляисследований;сотрудникамФизико-ТехническогоИнститутаРАНим.Иоффезапредоставленные образцы для исследований;сотрудникамисследований;УниверситетаАалтозапредоставленные образцыдля111Список основных публикаций по теме диссертацииА1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
