Тонкие текстурированные пленки CdTe на подложках из кремния и сапфира: термическое напыление из газовой фазы и структурная характеризация

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Теллурид кадмия CdTe является представителем класса широкозонных полупроводников и выделяется среди аналогов по целому ряду свойств. Высокая плотность (5.85 г/см³) и достаточно большие атомные номера элементов, образующих CdTe (48 и 52 соответственно), приводят к высокому коэффициенту фотоэлектрического поглощения [1]. Теллурид кадмия имеет оптимальную ширину запрещенной зоны Е = 1.5 эВ при Т = 300 К [2], поэтому в связи с пределом Шокли–Квиссера он может обеспечить эффективность ~32% при напряжении холостого хода более 1 В и плотности тока короткого замыкания более 30 мА/см² [3]. При этом солнечные элементы на основе CdTe демонстрируют одну из самых низких стоимостей выработки электроэнергии [4].

CdTe применяется не только в качестве элементов фотоэлектропреобразователей, но и в качестве подложек для нанесения эпитаксиальных слоев CdHgTe, для изготовления чувствительных элементов ИК-детекторов и детекторов рентгеновского и g-излучения.

Для данных применений используются как элементы, изготовленные из объемных кристаллов, так и наноструктурные образцы. К таким образцам предъявляются высокие требования по совершенству. Получение объемных кристаллов методами роста из расплава осложняется интенсивным испарением компонентов и наличием у CdTe целой серии высокотемпературных полиморфных фазовых переходов [5]. Альтернативой объемным кристаллам CdTe являются эпитаксиальные пленки на различных кристаллических подложках (Si, GaAs, Al₂O₃ и др.). Для получения пленок применяются методы термического напыления из газовой фазы, например, молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [6–8], химического осаждения [8–10] и лазерной абляции [11, 12]. Для получения высокосовершенных тонких пленок представляет интерес метод МЛЭ, однако ввиду его сложности и ограничений интерес представляет использование близкой к МЛЭ методики термического напыления из газовой фазы.

Поскольку реальная структура пленок в значительной степени определяется условиями роста, исследование структуры и механизмов роста тонких пленок, в том числе на разных подложках, важно для разработки методики получения монокристаллических пленок CdTe. В данной работе проведены исследования состава, структуры и шероховатости поверхности тонких пленок CdTe, выращенных на подложках Si (111) и Al₂O₃ (0001).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В качестве объектов исследования использовали тонкие пленки CdTe, выращенные в лабораторной установке по напылению тонких пленок, изготовленной во ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН [13], методом термического напыления из газовой фазы с использованием одного источника. Образцы выращивали на подложках Si (111) и Al₂O₃ (0001) размерм 14 × 8 мм², вырезанных из стандартных пластин. В качестве материала источника использовали истолченный в порошок монокристаллический CdTe, выращенный модифицированным методом Обреимова–Шубникова во ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН [5].

Процесс напыления проходил в условиях вакуума (~10^–8–10^–7 мбар). Подложки Si и Al₂O₃ нагревали до температуры ~250°C. Температура источника в обоих процессах составляла 673°C. Время напыления – 60 мин.

Фазовый состав выращенных образцов определяли методом рентгенофазового анализа (РФА) на рентгеновском порошковом дифрактометре X’Pert Pro PANalytical MPD (Нидерланды, CuK_α-излучение, λ = 0.154 нм) при комнатной температуре в геометрии Брэгга–Брентано. Диапазон углов 2θ = 20°–80°. Шероховатость и морфологию поверхности выращенных пленок определяли методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на АСМ Solver Pro-M (NT MDT, Россия) в контактном режиме. Элементное соотношение Cd к Te по длине образца определяли методом энергодисперсионной спектроскопии на растровом электронном микроскопе JCM-6000 PLUS (Jeol, Япония) со встроенной энергодисперсионной приставкой.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Расположение подложки относительно области распыления CdTe в установке термического напыления представлено на рис. 1а. Выращенные образцы тонких пленок CdTe показали соотношение элементов Cd к Te, близкое к стехиометрии (рис. 1б). Образец, выращенный на подложке Si, имел большее отклонение от стехиометрии по длине образца по сравнению с образцом, выращенным на подложке Al₂O₃, где разброс элементного состава по длине не превышал 1%, за вычетом крайней точки.

 

Рис. 1. Расположение подложки относительно области распыления CdTe в установке термического напыления (а) и зависимость отклонения содержания Cd (ат. %) от стехиометрии (б)

 

Методом РФА исследованы три области на выращенных образцах (рис. 1а): 1 – в центре области распыления, 2 – в центре подложки, 3 – на краю области распыления.

Образцы, выращенные на подложках Si (111) (рис. 2а), обладают двумя пиками кубической фазы типа сфалерита CdTe – (111) и (220). Интенсивность пиков (111) увеличивается от края образца к центру, что объясняется увеличением толщины пленки в данном направлении. Это может быть связано с особенностями распыления материала (с градиентом плотности потока распыляемого вещества).

 

Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы тонких пленок CdTe, выращенных на подложках Si (а) и Al₂O₃ (б). На врезке – увеличенная область дифрактограммы для тонкой пленки, выращенной на подложке Al₂O₃, в интервале углов 42°–52°. Номера кривых соответствуют номерам областей на рис. 1а

 

В случае образца, выращенного на Al₂O₃ (0001), наблюдается схожая картина (рис. 2б). Интенсивность пиков CdTe изменяется в зависимости от области образца аналогично образцу, выращенному на Si. При этом наблюдаются пики кубической фазы типа сфалерита CdTe (111), (220) и (222), что соответствует эпитаксиальным пленкам CdTe, полученным методом МЛЭ [8]. Причем увеличение интенсивности пиков CdTe на разных областях в случае образцов, выращенных на Al₂O₃, значительно выше. Также на этих образцах наблюдаются пики гексагонального CdTe: (014) и (113). Пики гексагональной фазы типа вюрцита малы на краю выращенной пленки и наиболее заметны в центральной области, где интенсивность потока распыляемого вещества максимальна. Эти пики являются широкими, что говорит о низкой кристалличности данной фазы. Образование гексагональной фазы CdTe типа вюрцита возможно при росте тонких пленок [14, 15], в том числе благодаря сходству параметров решеток Al₂O₃ и вюрцитной модификации CdTe (a = 0.475 нм для Al₂O₃ и a = 0.458 для CdTe). В результате образуется поликристаллическая пленка CdTe, состоящая из вюрцитных и сфалеритных фаз CdTe.

На рис. 3 и 4 представлены АСМ-изображения выращенных пленок. Тонкие пленки CdTe состоят из крупных кристаллитов размером ~500 нм для пленок, выращенных на Al₂O₃, и ~150 нм для пленок, выращенных на Si. В случае тонких пленок, выращенных на сапфире (рис. 3), присутствуют также крупные кристаллиты размером ~1.5 мкм, имеющие огранку, отличную от основного массива кристаллитов. Соотнося полученные данные с данными РФА-анализа (рис. 2б), можно предположить, что данные кристаллиты могут иметь структуру гексагональной фазы вюрцита CdTe. При этом тонкая пленка CdTe, выращенная на Si, имеет меньшую среднеквадратичную шероховатость (Sq) по сравнению с тонкой пленкой, выращенной на Al₂O₃. Связано это как с наличием на последней крупных кристаллитов, предположительно гексагональной фазы, так и с большими размерами кристаллитов основного массива. Различие в размерах кристаллитов основного массива связано, предположительно, с разной теплоемкостью материалов подложек Si и Al₂O₃, что может значительно влиять на процессы кристаллизации.

 

Рис. 3. АСМ-изображения тонкой пленки CdTe, выращенной на подложке Al₂O₃ (0001): а, б, в – области 1, 2, 3 соответственно. На врезке – увеличенный вид крупных кристаллитов, предположительно, гексагональной фазы вюрцита

 

Рис. 4. АСМ-изображения тонкой пленки CdTe, выращенной на подложке Si (111): а, б, в – области 1, 2, 3 соответственно. На врезке – увеличенный вид области 1

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выращены тонкие пленки CdTe на подложках Al₂O₃ (0001) и Si (111) методом термического напыления. Тонкая пленка, выращенная на сапфире, является поликристаллической и состоит из двух фаз CdTe: вюрцитной и сфалеритной. При этом образование вюрцитной модификации может происходить в виде процесса вторичной кристаллизации с образованием крупных кристаллитов гексагональной фазы. В случае роста тонких пленок CdTe на кремниевых подложках (111) наблюдается образование ориентированных тонких пленок сфалеритной модификации. Получение тонких пленок CdTe различных модификаций (вюрцитной и сфалеритной) позволит использовать их в качестве подложечного материла для создания многослойных структур с соединениями, имеющими различную кристаллическую решетку. Это значительно расширяет перечень получаемых многослойных структур на основе тонких пленок CdTe. Показано, что полученные пленки имеют состав, близкий к стехиометрическому, при этом тонкая пленка, выращенная на Si, имеет незначительный избыток Te.

Работа проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ “Курчатовский институт”.

Об авторах

И. О. Кошелев

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

И. С. Волчков

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

П. Л. Подкур

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

Д. Р. Хайретдинова

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

И. М. Долуденко

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

В. М. Каневский

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Курчатовского комплекса кристаллографии и фотоники НИЦ “Курчатовский институт”

Email: iliakoscheleff@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы