STRUKTURA CIENKICHWARSTW CdHgTe OTRZYMYWANYCH METODĄ LASEROWEJ ABLACJI 2. CHARAKTERYSTYKA METODY PLD OTRZYMYWANIA WARSTW

Transkrypt

1 25/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN-Katowice, PL ISSN STRUKTURA CIENKICHWARSTW CdHgTe OTRZYMYWANYCH METODĄ LASEROWEJ ABLACJI Piotr SAGAN, Józef ZA WIŚLAK, Marian KU.Ź:MA, Instytut Fizyki Wyższej Szkoły Pedagogicznej w Rzeszowie Rzeszów ul. Rejtana 16a STRESZCZENIE Metodą dyfrakcji elektronowej badano struktury warstw CdHgTe w różnych stadiach wzrostu. Warstwy otrzymywano metodą laserowego napylania. Struktura warstw cienkich wyraźnie odróżnia się od struktury warstw grubych, co daje pewne informacje o dynamice wzrostu. l. WSTĘP Współczesny przemysł elektroniczny wykorzystuje półprzewodniki jednoskładnikowe (np. Si) i wieloskładnikowe (np. GaAs, GaP) występujące w dwóch formach: a) jako materiał monokrystaliczny, b) jako warstwy cienkie. Cienkie warstwy roztworu stałego Hg 1.xCdx Te są bardzo przydatne do produkcji detektorów podczerwieni w dwóch zakresach: 3-5 i 8-12 flm. Szczególną cechą tego związku jest możliwość zmian szerokości przerwy energetycznej przez odpowiedni dobór składu x w zakresie 0,2-0,3. Ta własność Hg 1.xCdxTe pozwala otrzymywać cienkie warstwy czułe w obydwu wyżej wymienionych zakresach podczerwieni. Jedną z metod otrzymywania cienkich warstw CdHgTe jest metoda rozpylania litego materiału laserem impulsowym o dużej mocy. Warstwy powstają poprzez kondensację plazmy na podłożu. Podczas wzrostu może s ię zm ieniać s kład chemiczny i budowa krystaliczna warstw, a przez to jej własności fizyczne. 2. CHARAKTERYSTYKA METODY PLD OTRZYMYWANIA WARSTW Laserowa technika osadzania warstw (PLD- pulsed laser deposition) [l,2,3] ma szereg unikalnych własności, których nie posiadają inne metody.

2 228 Jej zaletami są: niezależność źródła energii od systemu osadzania, prostota aparatury, dobra jakość otrzymywanych warstw i możliwość otrzymywania półprzewodników wielowarstwowych. Laserowa metoda osadzania warstw jest stosunkowo prosta (rys. l). Wiązka promieniowania laserowego pada na tarczę z materiału (target). Pod wpływem zaabsorbowanej energii promieniowania laserowego materiał z powierzchni targetu paruje, a cząstki (jony, cząsteczki, atomy) osadzają się na podłożu w formie monokrystalicznej, lub polikrystalicznej warstwy. a) b) laser soczewka szklana 3cm < > l l ~~<-~ _laser target podłdże do pomp target podłdża do zasilania Rys. l. Schemat metody laserowego napylania warstw a) układ komory próżniowej b) geometria układu target- podłoże Proces może zachodzić w próżni, lub w atmosferze dowolnego gazu (rys. l a). Struktura i własności otrzymanych warstw zależą od rodzaju i mocy lasera, temperatury podłoża, odległości targetu od podłoża, czasu i ilości impulsów lasera, a także od własności podłoża (jednorodność, struktura krystaliczna). Ponadto istotna jest geometria układu, czyli kąt padania wiązki laserowej na target, kąt padania strumienia par na podłoże, oraz skupienie wiązki laserowej. Wadami tej metody są stosunkowo wysoki koszt laserów i aparatury próżniowej, oraz brak kontroli procesu napylania. Pożądane parametry takie jak długość fali nm, odpowiednio dużą gęstość energii (> IJ/cm 2 ) posiadają jedynie nieliczne typy laserów. Praktyczne zastosowanie znajdują: laser excimerowy (pracujący w zakresie UV) i laser neodymowy (bliska podczerwieó). 3. WARUNKI OTRZYMYWANIA WARSTW Cienkie warstwy otrzymywano przez laserowe odparowanie monokrystalicznego targetu HgxCd 1 _x Te o składzie x=0,2 [ 4,5].

3 229 Zastosowano laser impulsowy Y AG- Nd 3 + o następujących parametrach: czas trwania impulsu 't=40 ns, długość fali A=I,06 ~m, maksymalna energia w impulsie Erru x= lj. W procesie napylania energia impulsu wynosiła E=0,2 J. Wiązkę promieniowania ogniskowano na targecie za pomocą soczewki szklanej do średnicy 3mm, co odpowiada gęstości energii E= 2, J/m 2. Target ustawiono prostopadle do wiązki laserowej, natomiast podłoża umieszczono w odległości 3 cm od targetu w niewielkiej odległości od osi optycznej wiązki lasera. Geometrię układu laser- target- podłoże przedstawiono na rys. l b. Badane warstwy miały grubości 250 nm w przypadku l 00 impulsów, oraz 20 nm dla warstw nanoszonych poprzez S-krotne odparowanie. Do badat1 wybrano dwie próbki, których parametry technologiczne zebrano w tabeli l. Tabela. l. Parametry technologiczne warstw Cd xhg 1.xTe wybranych do badat1 Oznaczenie Skład Rodzaj lasera Ilość Podłoże Temperatura Nr próbki próbki napylającego impulsów podłoża (Ts) siatki X lasera N4-l 0,2 YAG Nd KCI 200 C l N l 0,2 YAGNd KCI 200 C 2 Rys. 2. Warstwa cienka N4-l: a) obraz mikroskopowy (8600x), b) mikrodyfrakcja obszaru jasnego, c), d) dyfrakcja wysokorozdzielcza wybranych obszarów próbki

4 METODYKA BADAŃ I WYNIKI Warstwę oddzielono od podłoża metodą rozpuszczania w wodzie destylowanej. Wraz z preparatem badanym na siatce preparatowej umieszczono również preparat testowy (cienka warstwa złota, lub aluminium) służący jako wzorzec do wyznaczania stałej dyfrakcyjnej mikroskopu. Wszystkie badania wykonano na mikroskopie transmisyjnym JEOL JEM-6A. Mikroskop posiada podwójny kondensor i trzy soczewki powiększające. Ma możliwość uzyskiwania obrazów mikrodyfrakcyjnych, a także (po zastosowaniu dodatkowych przystawek) obrazów wysokiej rozdzielczości, podgrzewania i chłodzenia preparatu. Można pracować z napięciami : 50, 80, l OOkV. Maksymalne powiększenie wynosi x, a zdolność rozdzielcza l O A. Próbki badano dwiema metodami: metodą dyfrakcji wysokorozdzielczej, dającą dyfraktogramy wysokiej jakości, oraz metodą mikrodyfrakcji, pozwalającą uzyskać obraz dyfrakcyjny i zwykły mikroskopowy wybranego obszaru. Podczas badań napięcie pracy wynosiło 50 kv. W wyniku badań uzyskano elektronogramy cienkich warstw. Rys. 3. Elektronogramy warstwy NI : a) obraz mikroskopowy, powięk sze nie (8600x), b) mikrodyfrakcja obrazu mikroskopowego c), d) dyfrakcja wysokorozdzielcza wybranych obszarów próbki

5 INTERPRETACJA OTRZYMANYCH WYNIKÓW I WNIOSKI Warstwa cienka N4-l Cd xhg I-xTe osadzona na KCI ma grubość około 20 nm i jest niejednorodna (rys. 2a). Niejednorodność tę potwierdzają obrazy dyfrakcji elektronowej wykonane z różnych jej obszarów. Obserwuje się strukturę drobnokrystaliczną, steksturowaną (rys. 2b). Bardzo interesujący jest elektronogram przedstawiony na rysunku 2c. Obserwuje się na nim wyraźne punktowe refleksy rozłożone na okręgach struktury polikrystalicznej zanikające w miarę wzrostu wskaźników Millera. Refleksy tworzą wyraźną symetrię 12-krotną, co może być efektem nałożenia się obrazów dyfrakcyjnych z obszarów o dwóch wyraźnie względem siebie ułożonych orientacjach. W warstwach grubszych (250 nm) struktura jest bardziej jednolita, drobnokrystaliczna (rys. 3a). Potwierdzają to dyfrakcje elektronowe, (rys. 3b, 3c, 3d) gdzie duża liczba pierścieni dyfrakcyjnych świadczy o drobnokrystalicznej strukturze materiału [6]. Słabe refleksy punktowe wskazują na niewielkie uporządkowanie krystalitów (teksturowanie). Otrzymane wyniki świadczą o polikrystalicznej strukturze warstw cienkich, jak i grubych. Jednakże w warstwach cienkich obserwuje się większy stopiei1 uporządkowania. Dlatego można wnioskować, że w pierwszej fazie wzrostu układ ma lepsze warunki do kondensacji warstwy w postaci epitaksjalnej. W dalszych etapach wzrostu krystalizacja staje się bardziej drobnoziarnista. LITERA TURA: [l] D.B. Chrisay, G.K. Hubler, Pulsed Laser Deposition ofthin Films, Wiley, New York, [2] Third International Conference on Laser Ablation "Cola '95 ",Program and Abstracts Book, Strasbourg [3] Major, W. Wołczyi1ski, J.Ordon; Krzepnięcie metali i stopów 36, 191, (1998) [4] G. Wisz, I. Virt, M.Kuźma, Functional Materials, 6, 507 (1999) [5] M. Kuźma, G. Wisz, E. Sheregii, T. Y a Gorbach, P.S Smertenko, S.V. Svechnikov, R. Ciach, A. Rakowska, MolecuJar Physics Reports 23, 157 (1991) [6] J. Kozubowski; Metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej, Śląsk, Katowice, 1974.