Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 11, стр. 78-80

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы соединения группы A^IIB^VI и твердые растворы на их основе, являющиеся полумагнитными полупроводниками, в которых можно плавно регулировать ширину запрещенной зоны путем изменения состава, нашли широкое применение при изготовлении приборов различного назначения, в том числе солнечных элементов, детекторов ионизирующего излучения, оптических изоляторов и т.д., работающих при комнатной температуре [1].

Известно, что современные электронные приборы, с высокими параметрами, создаются на однородно-чистых, зеркально-гладких поверхностях [2]. Для этой цели широко используются структурно-совершенные эпитаксиальные пленки полупроводников. Эпитаксиальные пленки полупроводников являются объектом исследований многих ученых и передовых научных центров мира. Этот интерес объясняется не только фундаментальным аспектом уникальных свойств, но и широким спектром прикладных возможностей их в электронике, оптоэлектронике, наноэлектронике, интегральной оптике и в других областях. Быстрое развитие этих областей требует, в свою очередь, получения современных приборов с высокими параметрами. Эпитаксиальные пленки широко используются в приборах различного назначения, поэтому развитию новых методов их получения, а также усовершенствованию уже существующих методов (например, выбору оптимальных условий получения пленок заданной структуры) уделяется большое внимание.

В настоящей работе представлены результаты исследования структуры и морфологии поверхности эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe, полученных методом конденсации молекулярных пучков. Указанные твердые растворы образуются частичным замещением атомов кадмия (Cd) на атомы переходных элементов, соответственно марганца и железа. В этих материалах в магнитном поле изменяется энергетический спектр носителей заряда, благодаря чему появляется возможность управления их свойствами с помощью магнитного поля и температуры.

В работах [3–5] были исследованы диэлектрические свойства и проводимость в массивных образцах указанных полупроводниковых материалов. Эпитаксиальные пленки этих твердых растворов еще не изучены. Согласно литературным данным [6] CdSe (в отличие от своего аналога CdTe, который имеет структуру типа сфалерита с параметром а = 6.477 Å) кристаллизуется в структуре типа вюрцита с параметрами решетки а = 4.30 Å, с = 7.02 Å. В связи с вышеизложенным исследования структуры и морфологии поверхности пленок является актуальной задачей современного приборостроения.

Целью настоящей работы является исследование структуры и морфологии поверхности эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эпитаксиальные пленки Cd_{1 −x}(Mn,Fe)_xSe выращивались методом конденсации молекулярных пучков в вакууме 10^–4 Па на свежесколотых гранях монокристаллов слюды и стекла. В качестве источника использовались заранее синтезированные твердые растворы Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (х = = 0.02, 0.03).

Химический состав твердых растворов, использованных в качестве источника, и структура полученных пленок контролировались рентгено-дифрактометрическим и электронографическим методами. Параметры решетки и ориентация пленок определялись по рентгенодифрактограммам и электронограммам отражения исследуемых твердых растворов. Установлено, что при комнатной температуре (температура подложки Т_п = 300К) на свежесколотых гранях монокристаллов слюды растут пленки с поликристаллической структурой, а на стеклянных подложках наряду с поликристаллической одновременно образуются пленки с аморфной структурой (рис. 1). Расчеты показывают, что поликристаллические пленки Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (х = 0.02, 0.03) в отличие от пленок, полученных в работе [6] имеют структуру типа сфалерита с параметрами решетки а = = 6.05 Å (рис. 1).

Рис. 1.

Рентгенодифрактометрический снимок пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (х = 0.03), полученных на стеклянных подложках (Т_п = 300 К).

Повышение температуры подложки до 673 К приводит к эпитаксиальному росту пленок с структурой типа сфалерита в направлении [111]. Определены оптимальные условия получения эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe, растущих в плоскости (111) (скорость конденсации υ_к = 8−9 Å/с; Т_п = 673 К) с полушириной кривой качания рентгеноской дифракции W_1/2 = = 100″−140″, значение которой непосредственно связано структурным совершенством кристалла (рис. 2).

Рис. 2.

Рентгенодифрактометрический снимок пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (х = 0.03), полученных на стеклянных подложках (Т_п = 673 К).

Морфологии поверхности исследовалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Использовали растровый электронный микроскоп The Carl Zeiss Sigma VP Scanning Electron Microscope. На электронных микрофотографиях исследованных пленок наблюдаются черные скопления, количество которых растет с уменьшением скорости конденсации и увеличением температуры подложки (рис. 3а). Согласно литературным данным, где исследуются другие халькогениды [7–9], эти скопления, вероятно, также являются оксидами, образовавшимися во время роста вследствие захвата кислорода лишними атомами металла (Cd), которые появляются в результате частичного разложения исследуемого материала в процессе напыления. При использовании дополнительного компенсирующего источника паров Se в процессе роста, удалось получить пленки с чистой, гладкой поверхностью (рис. 3б).

Рис. 3.

РЭМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (x = 0.03), полученных при температуре подложки Т_п = 673 К: а − без компенсации Sе, б − с компенсацией Sе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, определены оптимальные условия (υ_к = 8−9 Å/с, Т_п = 673 К) получения структурно совершенных (W_1/2 = 100″−140″) эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe, образующихся в плоскости (111). Исследована структура и морфология поверхности эпитаксиальных пленок. Установлено, что в тонких пленках Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe (х = 0.02, 0.03) в отличие от массивных образцов образуется сфалеритная структура с параметром решетки а = 6.05 Å. Показано, что черные скопления, наблюдаемые на поверхности эпитаксиальных пленок Cd_{1 −x}(Mn, Fe)_xSe являются оксидами, образовавшимися во время роста вследствие захвата металла (Сd). При использовании дополнительного источника паров Se, удается получить пленки с чистой, гладкой поверхностью.