Thin textured CdTe films on silicon and sapphire substrates: thermal vapor deposition and structural characterization

I. O. Koshelev; Кошелев И. О.; I. S. Volchkov; Волчков И. С.; P. L. Podkur; Подкур П. Л.; D. R. Khairetdinova; Хайретдинова Д. Р.; I. M. Doludenko; Долуденко И. М.; V. M. Kanevsky; Каневский В. М.

doi:10.31857/S0023476124020151

Thin textured CdTe films on silicon and sapphire substrates: thermal vapor deposition and structural characterization

作者: Koshelev I.O.¹, Volchkov I.S.¹, Podkur P.L.¹, Khairetdinova D.R.², Doludenko I.M.¹, Kanevsky V.M.¹
隶属关系:
1. Shubnikov Institute of Crystallography of Kurchatov Complex of Crystallography and Photonics of NRC “Kurchatov Institute”
2. MISIS National University of Science and Technology
期: 卷 69, 编号 2 (2024)
页面: 314-318
栏目: ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
URL: https://journal-vniispk.ru/0023-4761/article/view/259742
DOI: https://doi.org/10.31857/S0023476124020151
EDN: https://elibrary.ru/YSFTQM
ID: 259742

如何引用文章

全文:

详细
全文:
作者简介
参考
补充文件
统计

详细

Thin films of CdTe were grown on Si (111) and Al₂O₃ (0001) substrates by thermal deposition from the gas phase. The obtained films were studied using atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction analysis. It was found that on Al₂O₃ (0001) substrates, thin films of both wurtzite and sphalerite modifications of CdTe can be obtained. On Si substrates, thin films of the sphalerite modification of CdTe can be obtained. It is shown that the elemental composition of thin films is close to stoichiometry, and in the case of thin films grown on Al₂O₃ (0001), the deviation did not exceed 1 at. %.

全文:

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”.