Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, стр. 48-51

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря своим уникальным свойствам пленки CdS и их трехкомпонентные твердые растворы (например, Cd_xHg_{1 –x}Te) широко используются при создании различных видов фотодетекторов, фотоприемников, солнечных элементов и других чувствительных приборов, нано- и оптоэлектроники [1–8]. Особое значение имеет нанесение на их поверхность тонких надежных омических контактов. Ухудшение контакта вследствие его загрязнения (в особенности окисления) и уменьшения адгезии пленки, взаимной диффузии основных и примесных элементов на границе металлической пленки и полупроводника, и других причин во многих случаях приводит к негодности полупроводниковых приборов [9–12].

Основные дефекты вблизи контакта образуются из-за несоответствия типа и параметров кристаллических решеток металла и полупроводника. В частности, исследования структуры границ раздела Me–Si нанометровой толщины, подвергнутой термообработке в интервале температур Т = 330–870 К, показали, что вблизи границы вследствие низкотемпературной диффузии образуется аморфный слой кремния [13]. В работе [14] для уменьшения взаимной диффузии на границе раздела Ni–CdS использован метод низкоэнергетической бомбардировки CdS ионами Ar⁺. В результате облучения на поверхности CdS образовались барьерные слои Cd толщиной 10–12 Å, что в 3–4 раза уменьшило глубину взаимной диффузии атомов Ni и CdS. Необходимо отметить, что наличие атомов химически активных примесных элементов (O, K, Ca и других) в составе контактирующего металла и полупроводника существенно влияет на качество контакта.

Такие исследования для систем Me–CdS пока не проведены. В настоящей работе изучены состав неконтролируемых примесей, содержащихся в Ni и CdS, и их профили распределения по глубине на границе раздела Ni–CdS.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Напыление пленок Ni на поверхности CdS/SnO₂, изучение состава неконтролируемых примесей на поверхности и их профилей распределения по глубине системы Ni/CdS осуществлено в универсальной сверхвысоковакуумной установке типа “УСУ-2”. Для сравнения некоторые эксперименты были проведены на вторично-ионном масс-спектроскопе типа “МИ-1201Б” [15].

В качестве подложек были использованы поликристаллические пленки CdS n-типа толщиной 1 мкм, выращенные на поверхности стекла SnO₂. Пленки Ni толщиной 0.5–1 мкм осаждены на поверхность нагретого до ~400 K CdS методом термического испарения в вакууме (~10^–6 Пa). Перед напылением поверхность CdS была очищена нагреванием до ~900 K в сочетании с ионным травлением. После очистки на поверхности CdS в основном содержались примеси кислорода с концентрацией 1–1.5 aт. %.

Все исследования проведены при давлении ~10^–7 Пa. Профили распределения атомов Ni по глубине определены методом электронной оже-спектроскопии в сочетании с травлением поверхности ионами Ar⁺ с энергией E₀ = 1 кэВ, падающих на поверхность под углом 10°–15°. Оценка толщины пленок Ni также проведена методом электронной оже-спектроскопии в сочетании с травлением поверхности ионами Ar⁺. Предварительно с помощью прибора LASS-2200, оснащенного профилометром Alpha-Step, определяли скорость травления поверхности при различных плотностях тока ионов аргона j. При j ≈ 20 мкм/см² скорость травления для Ni составляла ~10 нм/мин. Ошибка измерений не превышала 3–5%.

Концентрация Ñ_x атомов, входящих в состав пленки и подложки, была определена по относительному изменению интенсивности оже-пиков. В расчетах использован метод коэффициентов (факторов) элементной оже-чувствительности с матричными поправками [16]:

где I_x и S_x – высота оже-пика и фактор элементной оже-чувствительности x-го элемента соответственно; $\sum {{{{I}_{i}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{I}_{i}}} {{{S}_{i}}}}} \right. \kern-0em} {{{S}_{i}}}}$ – сумма отношений I/S всех элементов, присутствующих в образце; α – матричная поправка. Ошибка измерения концентрации атомов составила ~5–10 ат. %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Перед измерением система Ni–CdS была очищена прогреванием до Т = 850–870 K в течение 3–4 ч. Из оже-электронного спектра, приведенного на рис. 1, видно, что на поверхности пленки Ni содержится небольшое количество (2–3 aт. %) атомов примесных элементов (Rb, С, О, Cl, K, Ca, Mn и других). Исследования, проведенные с использованием метода вторично-ионной масс-спектрометрии, показали, что в Ni наряду с указанными примесями содержатся в малом количестве (менее 0.2–0.3 aт. %) атомы неконтролируемых примесей: P, S, Cr, Ti, Zn, Cu. На рис. 2 приведены профили распределения примесных атомов С, О и Na по глубине. Видно, что на поверхности пленки Ni общая концентрация О и С составляет ~1.5–2.0 ат. %. С ростом глубины их концентрация уменьшается и достигает минимума на глубине 0.6–0.7 мкм, то есть вблизи границы раздела Ni–CdS. На этой же глубине и далее были обнаружены примесные атомы Na. Концентрация всех примесных атомов в интервале x ≈ ≈ 0.7–1 мкм резко увеличивается и при х ~ 1 мкм концентрация О составляет ~8–10 ат. %; С – 3–4 ат. %; Na – 1.5 ат. %. На глубине х ~ 1.2–1.3 мкм их концентрация уменьшается в 2–3 раза, затем – практически не меняется. Исходя из этого, можно предполагать, что эти примеси содержались в слое CdS.

Наличие в объеме и на поверхности пленки CdS примесных элементов O, K, Na, и других приводит к изменению удельного сопротивления металлического контакта и переходного слоя, образующегося на границе Ni–CdS. Действительно, примесные элементы щелочных металлов и кислорода, находясь на поверхности полупроводниковых пленок, мигрируют и могут собираться на границе между металлическим контактом и пленкой и, соответственно, приводят к окислению и образованию щелочно-металлических соединений [15, 17, 18].

На рис. 3 приведены низкоэнергетические области оже-спектров Ni, снятые после послойного травления пленки Ni в пределах 0.4, 0.8 и 1.0 мкм. Видно, что вблизи М₂М₄М₅ – пика Ni (Е = 61 эВ), при х ~ 0.8 мкм, явно выделяется сателлитный пик, соответствующий энергии 54 эВ. Анализ показал, что положение этого оже-пика приблизительно соответствует соединению NiO. Максимальная концентрация кислорода на границе контакта Ni–CdS (при х ≈ 1 мкм) составляет 8–10 ат. %. В этой области положение сателлитного оже-пика смещается в область Е ≈ 51 эВ. Совместный анализ спектров оже-электронов и вторичных ионов показали, что на границе двух слоев образуется соединение типа NiO₂. Такое количество кислорода приводит к окислению значительной части Ni вблизи границы, что приводит к увеличению сопротивления контакта [13].

На рис. 4 приведен масс-спектр отрицательно заряженных частиц, распыленных с глубоких слоев никелевой пленки после травления на глубину х ~ 0.8 мкм. В спектре наряду с интенсивными пиками, характерными для Ni, присутствуют пики, соответствующие примесным элементам, имеющимся в составе CdS.

По-видимому, из-за несоответствия типов кристаллических решеток Ni (кубическая) и Cd (гексагональная, типа вюрцита) на их границе возникают различные виды дефектов. Следовательно, образуются сильно разупорядоченный переходной слой и точечные дефекты вне его. Накопление точечных включений атомов, в частности кислорода, уменьшает концентрацию основных носителей заряда в полупроводнике и окисляет поверхность металлических контактов. Поэтому подбор материалов для металлических контактов с кристаллической структурой близкой к структуре подложки-полупроводника, очевидно, увеличивает срок эксплуатации полупроводниковых приборов, созданных на основе таких структур.

В настоящей работе изучены профили распределения основных и примесных атомов на границе системы Ni–CdS. Показано, что примесные атомы, содержащиеся на поверхности CdS, диффундируют в пленку контактирующего металла. Установлено, что глубина проникновения неконтролируемых примесей из CdS в Ni составляет ~0.3–0.4 мкм. В частности, концентрация кислорода в контактной области увеличивается до 8–10 ат. %, что приводит к образованию соединений типа NiO и NiO₂ на границе.