Закономерности формирования реальной структуры монокристаллических слоев оксида цинка и их некоторые свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

V' Миотвдао ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСССР

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ • ГОСУДАРСГйБНЩй УНИВЕРСИТЕТ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ СОВЕТ К 063.52.ОВ ПО ФИЗЙК0-М А ТЕМА ТИ Ч5СКШ НАУМЫ

На правах рукописи

ДШУЛ ЛЩЕЛЬКАДЕР

УДК 539.216,2 : 536,2 : 548

. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОНДИРОВАНИЯ РЕАЛЬНОЙ СИУКТУРаг МО ДО КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ ОКСИДА ДИНКА И ЮС НЕКОТОРОЕ СВОЙСТВА

01.04.07 - физика твердого тела "

АВТОРЕФЕРАТ

диасархзции на соиокааие ученой степени кандидата <£изкко-!£81ем9тич0оких яазк

Росгол-нз-доч?

1ЭЗП

•• - министерство высшего и среднего специального

.....? . ОБРАЗОВАНИЯ РС^Р

' ' '■'■■•' '

ростовский ордена гвдового красного знамени государственный университет

специализированный сова К 065,52,.08 по фиэйхо-. . • шштичесш ¡мукам "

Нэ правах рукопиоз

ДЖШД'АВДЛШДЕ^ •

, уда 559.21б;2 .! 536,2 I 548

закономерности фондов занйя : реальной структуры монокрйсмшческйх слова оксида цйнйа и-их .некоторые свойства

01,04.07 - физика звардогр зеа»:

а в г о р е <5 2 ? а т ;

диссертации на соиокааив зчзяой огвпвни кандидзга • • ' фиаико-мвтеиатичбрких назк

. ^тов-нэ-Дону

Раб'/га Ьдацнина.на .кйфвдре экспериментальной физики Дагестанского государстагнногс университета км.В.И.Ленина.

Научный рукосодягелц:

.'• кандидат физико-математических я?^ •доцент Рабаданос Р.А,

Официальный, ог'шонсаты:

доктор физико-математических наук про-1лЗоеор Дудкевич' В.П.

кандидат физико-математических на? децснт Апукос А.Д.

•jj~.iy.fiij «¡д-даизацая: • , ■• ■ Изашй.т .физики.Дагестанского флл;

• ..' АН СССР,

,. З'ацпгй.-соетсщтзя 1990 г. в

часов на заас'цанэд Специализированного Сосота*К 033.52.08 с Ростовском тосудардозекнрм уийЕерсита?.е по адресу: 344030, г. Ростос-на-Дену, яр.Стачки, ЮШ фнгшш при РГУ

г-диссертацией и маю ознакомиться в научной библиотеке •ТУ, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушшюкая, 148

- 'пвторс.Бс-рзт рдаоаЛйя

" " 1990^ г.

. ~ .Учений ¡¿окретарь ^'¡ецдализипованяого Совета К 063;52.Од, кандидат " фнзико-уатонатич^еккх паук, сташай научный сотрудник ■■

Е.'\ Цихоцкк

ОБЩАЯ ХАРЛЛТЕР1ХТ;ÜÍA РДБОТИ Актуальность ксолсцозаиия

Разработке способов получения кристаллов и пленок широко-

о 2

acinnix полупрег едшкепя: ссэаинз'гсЯ Л4- В и ксалар-чанигз их сооЯотз всегда уделялось бояьпоэ tKz:v.ma, 0ш, обладая nprn-w:« зена-зогешми переяодвгзд, пзргясктагяа для регзйкя задач опто-элегстрештяи, ю кг catóse йогу? бгггь v.iroTCJ.tsjfti е$$ектив!ы<» источники и £зтсэ7гзктр::чзск:1з :ip;:a:i¡ttí"u ссста. Срэдм этих cc?a;¡Ht~ ifflít оксид ц;пп:а по спо::м noscpraocrsrri» спт!т"?с;нп{, эясктричрс* кич и опте- и акустиисптгд сзс!}с1с?д лзлдотся. наиболее ncpcnv-к-гггг'ггч. , . -

Кристаллу и монокрчсталля'ггаяяо пясиэт ZnOctíx&RavT боль • поЗ радизцчсшоЯ его5г«остгя'к е.*.« ец^ггиллятср1.! з•атателъиоЯ • г.г-птово.1 с'йзкткпностьв.(на £0 Я'бояня, чгм у ЛЬУ + ТУ). Струг---Tj-pa Ил»0 но доградкрузт.иа зоэлуха и ccsprittsr т.'..зосз'оПстра, измерегат пря оОО'К,'до 1000 К па урс-;?э 70 5?, Поел ссстнстгг-вугтдеЯ обработки материал?! па. оснозо жГл^лрИобрэтаят гусокуп-' фоТОЧуВСТЕИТОЛЬНОСТ'Ь» '

На основе кристаллов я орятатарегияп« пsenos ZnOmrr.xо изготовить датчики интзнскгнсстнрдепзда ядерного топлива, датчики водорода для контроля. уелоЕяЗ эксплуатации- производственник помещения, источники УЗ излучения для нака'чкн лазеров на красителях, поверхностна световолнсзоды, фильтры каналов связи, устройства для визуализации кинетики адео-1ции рдайтроактивная газов на поверхности, твердого тала и'итогов другое.

До сих пор основнем препятствием практической реали мгн перспектив применения Zn 0 является отсутствие доступного производственным условиям метода получения кристаллов h ионо-кристалличсских пленок с необходимыми физическими свойствами.. К настоящему времогя в литературе на эту гаму опубликовано йп-

го работ, большинство но которшс посвяцсно иолучэгив и исследованию свойств ь^больп1пс кристаллов к тонких пленок (£00-1000 Л), полученных d слабо контролируемых условиях.

Метод получзния иопокристалличэских плонок Zn0 р контролируем условиях предложен сравнительно недавно/ и его воэмокности еще тюлностья новияенены, При сопоставлении возможностей ранее предлокеннах мотодов и ;-етсду.£/_/ еулсклотся, сто последний позволяют ссуцзстспть придзсс получения пленок в условиях, близких к обратила?.!, регулировать состав газовой фзйз, следовательно в состав растущих слоев, концзнтрацпв к природу дефектов в них по ходу получения. Однако, существует наобходп-ыость d уточнзнии олоктрячасгс:к и сатичоских свойств планок х 2пО, получзшшх данна:: катодом, в зависимости от прлроди и концентрации дефектсз d ra::, ТроСуотся разработать ыэтод аакреп-лення ориентации растуцой плойкиZn0на грош А(„0 той

или

иной ориентации с иэменеикоа те;.»лзратурц 8 ми подлог,;кя, укзпь- . пения толщ>пш дефгхтихлтго слоя в области граница планка-подлодка.'

Необходимо тагспо вьясшгь с$фзхтивносгь применения ориентированных пленок кгл-зотео оцлптлетяторов, прзобразова-топей физичзекик величин.различного назначения, Поэтр:.?у нами для изготовления образцов бт использован метод [_1 ] .

Цель ваботн, Коночной цзлыэ настоящей работы является отработка, мотода получения моиокристслкчсских пленок оксида цинка с воспроизводивши фмичосгашп свойствами и, насколько зто' во5мо™но, использовать их для проведения фундаментальных исследований в области физики твердого состояния и технического при-' монеиия, как вещества с уникальшми физическими и химическими свойствами. В соответствие с этим в нащей работе были поставлены следующие задачи:

1. Болев подробно проанализировать термодинамические параметры процесса восстановления оксида цинка в атмосфер? водорода и особенности процесса целенаправленно использовать для по "чэ-иил монокристаляических пленок 2п0 с необходимыми свойствами.

2. Изучить механизм формирования реальной структуру пленок на подломах различной ориентации и природа,

3. Если будет возможно, то разработать метод закрепления ориентации растущей пленок 2п0пп грани •

4. Еияснить природу дефектов в пленках, характерних двчно-«-му методу, вогмоаос^гь изменения их природы и концентрации изменением условий осуществления процесса пояучешш пленок и их легйровг.-шя по ходу получения,

5. Исследовать злектричоскиэ и -поминесцектнпз свойства пленок ,ИпО в зависимости от степени дефектности их структура.

ЕНЕОР МАТЕРИМА И ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для изготовления элементов опто- и акустоэлектроники шро-

р а

ко использунтся кирокозоишо полулреводншеокгз соединения А В . В гиду того, что их представители - монокристалли оксида цинка и сриентировшпиэ пленки обладают центгмл н разнообразными физическими свойствам!, такими как шзеяйя фоточувствительность, фото- и катодолпшшесценция, пьезо- и лазерный эффект, электрооптический сффакг и т.д., и перечисленные свойства позволяют создать па основе оксида цимка такие элемента и устройства, как источники и приемники света, пьезоэлектрические преобразователи, датчики и усилители акустических колебаний, устройства управления интенсив» етью оптических пучков, оптические пленочное волноводы, систем загаси и хранения информации, ня в качество объекта иесясдизаниП выбран оксид цинка и из.уч чц электрические,

-; е- -

ллмиизсцлтк.1 сйойств;;. его плс»о:с с зави-

симости от и;; реально!'! cjpyuíj¿.'.i,

Дытзд раб ota г-ЕЕиется juerta полплоксг;^: иссяедоаишй, ¡п<оиодн!^;г «а ке^сдро с«спзр;:жпталы|ой Дйггосузшзерсл-

•reva и:.:. В „И, Исаи;, л, di d с-оСи };ак 1юуксл!;ю Зизисссклх

свойсг-у с;:;:гсс»1русг::,.: Ер;;г7аялаз п.г.лецо:: ZaQ , tan и возмо"-¡ato их iit/ü'-wK-ü» ve¡ci;«.:;3.

. доедя езеки ршзш

¡Ly^.;:" ¡:cr;;¿;;a }..;,ÚO'ÍU ьаиг^дг^сп с 4ío прейден исчсрп^вахаай елгц.;:;} нрареса вссстслгоаяелил

оксид*. щиглг. ь Бодсрэдо» На оаигао ьтего саакиза сарздзйсни ситиолы. .с ус;:сс::л пся:™.л|:.%/ тгиЯг-ъг&йоказ есзерксшгоГ/ структур:-: на подпок;соя, р^спрсотршишш с со"ро~-к.;н»сй полуфо'зс^тлг.сзо.'; ^¿'.¿iCKorw*

j

.. I. Усчс^юзкиа •т.с^рлссгсд^;-:.! ссси-д ггос-Ж; ь^г.у, ссзчсг:- • "песть т.сгужкрогсш.-{ ггой £231: дкз поку;:::кид ыкхо^ималлнч-саж плене:: ЯпО a CiOÍI'Cír:^.?;:.

2, '¡^vinb.ia ер.к1яецкц и кмастса ярздзиритаодюЗ cCpc-üoTitn пггсрглюс^;:,' ка aoT.znb д&£ог.тцос?и плена:; 71пО , к -ía o'ící: сснзэз *"род«к.ся сясссС! сакргшгсшш ориснтацил рдс-дезй пленок н чол^а^л дефектного пэрэхедного еиол ь оЗяаск: cir,/¡;?ypi пг~игс-аодасг:ка,

3, ЛЬупг-уа- 'sssgmiosvb реальной структура amn-üucuájr v.r,: гксио::7 ус*гно5Л?"ц ^.ягоратурииз области прзоб-ладашш, с плеши тсш imi иной природа дефеяга в аасиекмости от услс'1;«! я.

4, 'кзучзпц ояектрйксскис и лвжшзецэ: тнуо свойства пяс юк и зависимость otj; с. свойе-тв от условий к; по; учзвдя.

б .••Доказана 'пррчтн^сиая цаяасообрааибсть применения опи-

- ■7 -

ТЯКСИЯЛЬНЬГХ пленок 2л О ДЛЯ ИЭГСТОГЫСЯМЯ сцинтилллтороп.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧ1Г?ССТЬ

Определены оптн;:альн!тэ техяолорическио парпиэтрн осуцрет-глення процесса получения нонокристалличсских слоев ZnO , • структура ¡i сосав которых по я пол,тот использовать их в качество модельных объектов для проведения научтгх исследований, изучения IIOECpXÜOCT« теордорэ тола I! изготовления Р13ЛИ,floro назначения преобраяоеггелей физических полич.'Ш.

ПрЭДЛОГ.ЗН мэтоц цоленапрдвлсияой обработки поверхности !«0-»окристаллнческоро сал^-ира для латгр^ллгнил орхентагкт растудаЯ пленки п y?!OHi7j2!n:a до миилмугга то-щшм дс'-зятного переходного слоя мсппу пленкой и паялотлсоЗ. Опрзд^лснн условна получения и."сиок ZnO с проводкяоетьа -до Ю^Ои-* которое noryv £и?ь успсппо использоваим п качссчлч яропоч-тц:« попытай, прозрачных в области длин волн от 0,400 ига до 30 vkí. Установлен! возможность технологически!«« метоцзлп полетать слон ZnO с максимул'ч.ш ложшесг.ентного изучения на Яf я. 0,510 мкм и Я, = О,ДЭЗ мкм, которые могут быть использованы для изготовления С!и:н-тилпяторов со скоростью счета'импульсов ^ IQ® 1/ссм я 10^ 1/сет; и устройств визуализация кинетики адсорбции зле:сгроакгивних галоп на поверхности твердого тела.. .'"•'.'■.

OCilOffiLü; ПОЛОЖЕНИЯ, ЕЫНОСШШ НА ЗАЦКГУ

I. Полный термохимический анализ о1новнс.'> веокцзш получения ZnO , вялпчащий устаноз.тснио аналитического вида температурной япвиагмости константы равновесия .(л\{{ р,Т )*4Ж,9? --3,07 .til > 0,14 • - 29350,8 'ГГ+ 0.5М05 Г2 для

расчета парциального сотава газовой фгзн, а-так«« нсобхо^гмоо-ш подачи в систему ппроп ьоци с водородом до 14 от сяиаарчо-го ичкодл гшнк" дпя сохранения.стехноиетрлчсского сосгпвл гп зо -в;¡' Í'i'tm „ зело почло"-;:";.

2. Зависимость электрических и ляыинесцентнлх свойств

слоев г£аО от условий их получения.оаклпчается в'минимальности концентрации ( 2. Ю^оГ^), максимальности подвижности

ОТ]

электронов ( -V 140 си^-В"1'с-1) и максимальности интенсивнос-

ти видимой люминесценции, если они получены со скоростьа 64-6,4 мкм/мин (температура зоны тигля 930-1000 К, а - зоны подлож-

3. Формирование толщины слоя на различных подлетках происходит следующим образом:

а) по слоистому механизму роста на подложках (1СГГ0\ (1120) Мг03 и (100), (НО) бе и G&M ;

б) по дислакционно-спиральному механизм роста на листочках скола слюды (мусковита, фторфлогопита!, (III)Ge и Gn/U и (0001)

■digOrj при температуре подложки, меньше 870 К. Рост по данному механизму всегда начинается с формирования сильно дефектного слоя (концентрация дислокаций несоответствия в таком слое равна ~ 10**- Ю12 см"*% его толцина ~ 0,8 — 0,9 мкм);

4. Ориентация кристалликов ¿~п0 'относительно подложек, слрэцеляемая о результате плектронографических исследований выращенных слоев, описывается следующим образом:

а^ грань (0001) ЪпО параллельна грани скола слпды, и совпадает направления flOIOj 2п-0 к [П20] слюды;. ( б) на грани (ОООJ11 /4Л,0с, кристаллики En О располагаются граньо (0001) при Tj < 870 К. При атоы углу отклонения поляной оси С ¿.п 0 от нормали к поверхности подложки ( f ) соответствует в первом случа-з 0° и во втором 5С°43';

ки Tj= 870-890 К и л Т = Tg- T¡= 100 - ПО Ю.

I

Г

в! грань (I0II» ZaO (¡ (1120) Mz03;

г) грснь (Л20)2^О // (1012) Mzо3;

д) грань (0001) ZaO //• (III ) Ge.faА; е - гр«чь (ICI^ Zn 0 // (100 ) Ge, (го fe;

е

f= 6I°3I'; 90°;

р.- о;

_ 9 !-.

к) rps^.b (1013) ZnO D (ПО) G-e , G*. M ; y»3I°3'6*. На подложках (re и 4* любой ориентации пленки ¿/г. О ■ рас-. тут всегда с совпадением направлений[iOIO] SftO // [По] &е

и G a 4t

5. В решетке слоев 2пО , получаемых в интервале тем" ^ратур подложки 1j от 850 до 980 К, преобладает вакансии кислорода Vg в виде F'"-центров, образующиеся по реакции

21??п0 + 2«Г ^ üz0{r)+ V + + и мотсно регулировать концентрации вакансий V* в пределах двух порядков изменением Tj и рос слоев ZnO с ионами цинка в междоузлиях при Tj > 980 К.

6. Слои ZnO ( ¿ « I - 2 мм ) с концентрацией: V* в

Т7 *

решетке ~ 10 см обладает в 40 раз большей интенсивностью видимой люминесценции ( %мах= 0,510 мкм, ЛЕ = 0,4 эВ), чем исходные порошки марки ОСЧ 14-2, и на 20 % больней, чем известный лшш афор ЛЬЗ ( 7? ). Псатому слои 2п О с У* могут бить использованы для изготовления сцятияляторов со скоростью

с

счета 10 инп/с.

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты проведенных исследования по теме диссертации опубликованы в 2 работах. Они докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава физического (факультета ДГУ 1987 и 1989 гг. и на конференции молодых ученых и специалистов Дагестана "Mr толочь и научно-технический прогресс" (Махачкала, 1938 г.).

0БШ1 И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссерта; 1я сосгст из вводиния, четырех глаз и рез;/тьга-тов работы. Текст ди .сертации изложен нз 1?4 отулницах. Ил .ю-стратнвнчй матьриал зкхечает 51 рисунков. Библ! графический список со держит "-116 наименований литературы.

- 10 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В попа ей глава приводятся наиболее важные сведения о кристаллической структуре, ее дефектах и олентрофизичаских и оптических свойств кристаллов и пленок оксида цинка.

Дана характеристика основных методов получения пленок 0 , оцопе'я! возможности данных методоа в сшсле обеспечения необхо-ди?.мх свойств пленок с цольв их научного и технического применена.

На основе такого анализа осуществлен выбор перспективного метода получения пленок 2пО для решения поставленной нами задачи;

Четвертый параграф згой главы посвещен основным областям применена ориентированных слоев .

Во второй главе описали методы получения монокристаличес-ких плск ж оксида цинка,' подготовки подложек к их нанесению и иэу •-'ченио совершенства и ориентации относительно подлопки.

Получени» пленок осуществляется в установке специальной конструкции, удовлетворяющей расчетным параметрам транспортной реакции:

В работе дается подробное описание этой установки и способа термообработки подложек •

Для изучения микромофологии и измерения толщины пленки в • работе?..использовались микроскопы /¿Ц -2 и МШ-4. При необходимости использовался и метод световых фигур для получения дополнительных сведений о кристаллографической огранке фигур роста. В ке честве^источника света -спольэорался лазер ЛГ-Г

В работе использовался и изучался механизм формирования

П !-

слоя ZnO на листочках скола слюды (мусковит, фторфлогопит), гранях (100), (III) Go и Ga/U ., плоскостях сапфира ориентации (0001), (1120), С1012) и <1010).

Совериенство структури растущего слоя и кристаллографические соотношения пары подлежа - пленка изучались методом днфрак: и быстрых электронов (постоянная электронографа С«2 L% «26, 27 Анн) Для изучения основных электрических парзмотроа пленок праве .ились измерения электропроводности и эффекта Холла, Падение напряжения на соответствующих контактах образца измерялось компенсационным методом с гюмощьп потенциометра Р 363-2, в качестве нуль-прибора использовался блок ЛК. ЗДС Холла измерялась,в магнитном поле на-прягенность» Н •• 10 эрстед, создаваемом электромагнитном на постоянном токе. _ . . ' "

Здесь же дается методика придания образцам необходимой геометрической формы, нанесения на них омических контактов и ,*.зуче-нил температурной зависимости их основных параметров (удельной проводимости, концентрации, и подвижности электронов).

.В четвертом параграфе этой главы дается такке методика изучения фото и.катодолюминисценции иснокристаллических слоев оксида цинка толщиной 2-3 мм.

Третья глава работы посвящена подробному термохимическому анализу транспорта оксида цинка в атмосфере водорода по реакции (I).

Применением метода абсолютных энтропий по справочным данным компонентов реакции определена температурная зависимость изменения свободной энергии, которая справедлива для интервала температур от 692,7 до II8I К, в виде аналитического выражения

sor -t Z5-,S TJnT . hi?* /а~3т 2 ~ а. íOsr't

..ЗАВ,i Г (Лк/мОЛь) (2)

Для определения температурной зависимости парциального состава газовой фазы 11Д 2л О необходимо знать температурную зависимость константы равновесия реакции (I). В этих целях необходимо использовать известное из термохимической теории химических и фазовых; превращений соотношение: ' \

(3)

Температурная зависимость К{Т_) % вычисленная нами указанным выше способом имеет вид:

2,07 &Г + 0М.{0*Т- 29в?1 Т'1+

Это выражение дало возможность определить температурную зависимость числа молей цинка в газовой фазе

Данное соотношение справедливо в случае применения чистого водорода для осуществления реакции. Характер процесса восстановления

водородом при изменении давления водорода в системе (Г и сем*) и изменения температуры (р** оо-мЛ: ) получен из анализа закона действующих масс, проведенного применительно к реакции (I) из этого анализа следует, что

• Ъ? ]т Р

-Ы,К(Р,т) 1 >0 • "э т л

(6)

Из первого неравенства (б) следует, что с увеличением давления системе константа равновесия уменьшается, т.е. реакция (I) смев

- 13 -

ется в сторону образования 2л0 , а второе неравенство (б) указывает на продолжение реакции восстановления "ксида г -нка с увеличением температура, -

Далее, из условия фазового равновесия реакции в условиях се осуществления найдено, что относительный выход реакции (I) определяется соогнс -екнем:

п, Т, _ Г К(Р>\) I

( т£ [ кхргт

(7)

здесь: TJ - температура в зоне подложки;

• Tj-'также величина.в зоне тигля. Из (7) следует, что относительный выход реакции не зависит от гб-щего давления в системе, а число молей . газовой <*1зе обратно,пропорционально корню квадратному общего давления в системе» Данная зависимость параметров реакций от давления дает возможность получения пленок Zn0 на подложках с температурами от 660 до 1020 К, со скоростью роста от нескольких сот ангстрем в минуту до 8 мкм/ мин. При этом наиболее кристаллографически совершенные эпитакси-альные пленки растут при в 3,5й.

Росту пленок со скоростью 8 мкм/мин соответствует значение относительного выхода реакции £ «7-8$. . ' .

Пленки ZnO , получаемые в .чистом исходном-водороде, имеют нарушенный стехиометрический состав (они обогащены цинком).

Удалось установить, что причиной роста, пленок Zn (Je избытком цинка является нарушение стехиометрического состава газовой фазы в зоне подложки. Коэффициент диффузии молекул в.оды 0Г2 в водороде больше, чем коэффициент диффузии атомов цинка ¿íj2 . По этой причине в зоне подлодки концентрация паров воды ок .зывается ниже, чем паров цинка и это оказывается основной причиной рост

пленок 2п0 несгехиометрического состава.

Последний параграф этой главы посвящен методике расчета относительного состава исходной смеси газов Сводородов- п«ры вода) для уменьшения нарушения стехиометрического состава растущей пленки %п0.

Результатом таких расчетов является установление в исходном водороде парциального давления паров воды не менее 13-14% от ожидаемого парциального давления паров цинка, соответствующего рабочим температурам осуществление процесса получения 2п0

Четвертая глава посвящена процессам формирования эпитакси-ального слоя 2м0 на подложках различной ориентации. На подложках любой ориентации процесс роста осуществляется протеканием гетерогенной химической реакцли. При больших химических движущих силах мекду зонами реакции /^или большом относительном вы-

ходе реакции 3- > когда у поверхности подложки поступают су-щественше количества реагентов, осаждение не лимитируется образо-

ч

ванием ориентированных зародышей, поэтому растут поликристаллические планки. Для образование ориентированных зародышей становится фактором, ограничивающим скорость роста пленок при ^ < 7-8%. Разрастание взаимно-ориентированных зародышей на подложке связано сопряжением реиеток. подложки и нарастающего слоя. Если параметры сопряжения рещеток сколько-нибудь отличается, то такой поверхностный слой пленки, прилегающей к подложке оказывается деффектным. Поэтому основной задачей формирования структуры пленок высокой степени совершенства становится выяснение содержания физических процессов, определяющих их кристаллическое совершенство.

Содержание физических процессов может изменяться в зависимости от природы игриент&ции подложек.-В число этих физических процессов входят: .

- характер формирования трехмершх зародышей;

-1 15 - • .

- дальнейшее увеличение размеров растущих частиц слиянием начальных з&родшей;

- образование сплошной пленки и возможность роста новых блоков в местах срастания.блоков предыдущего слоя.

Рост пленок ZnO на подложках различкбй природы и ориентации проанализирован под углом зрения перечисленных проблем. Установлено, что пленки- оксида цинка ориентация <0001) растут на сколах слюд1Г (мусковит, фтср^яогопит), гранях (III) G-c и А1, и на плоскостях М^ ориентации (0001) при T¡ -С 870 К. • Металлографическое исследование поверхностей образцов, различной толщины и картин дифракции электронов от них показывает,, что рост слоя начинается с образования отдельных дискретных зародышей. После коагуляции и срастания они образуют более крупные островки, которые на самом начальном этапе на имеют определенную кристаллографическую огранку. Отдельные островки срастаются друг с другом,

л 0

образуя сплошную пленку, при толщине осадка л- 600-700 А. Дальнейшее увеличение толщины пленки происходит путем возникновения новых кристалликов, которые в отличив от начальных имеют ярко вы-раненну» кристаллографическую огранку. После заполнения всей поверхности пленки (мояет быть и ее частя) кристалликами и их срастания наблюдается рост кристалликов третьего слоя и т.д. При этом толщины пленки 0,8 мкм, диаметр отдельных кристалликов практически не изменяется, ести не изменяются условия .кристаллизации. Такое расп ложенив кристалликов приводит к образованию дефектов типа винтовых дислокаций» 0 нахождении винтовых дислокаций в центрах отдельных блоков свидетельствует "еррасоподобн^л структура пирамидальных их граней и «аличие на их noBjpxnocTW большого количества спиралей, которце приписываются дислокаоионн чу механизму роста. При дальнейшем увеличении толщины пленки (больше л.0,8 мгм) количество фигур роста уменьшается (начинает действовать ..;;инциг;

гесмэтрическ^Ро отбора), а их диаметр увеличивается. На подложках М.О,ориентации' (0001) при Т>870 К растут кристал-

X а *

лики 2п0 наклонной ориентации, т.е. их полярная ось С наклонена плоскости подлости на 51°18' и растудей оказывается плоскость с индексами "1214).

Для закрепления роста пленки ^п.0 ориентации (0001) на (0001)/}?^ нами впервые предложено данную грань сапфира отжигать со слоем ту~ горгавкого металла толщина до нескольких десятков атомных слоев при температурах больше 1.200 К в течение 15-30 минут. Предложена также методика нанесения тонких щенок тугоплавких металлов на пяастшк« А?^ . Эксперимент показал также, что рост . пленки оксида цинка на (1010), (П20)',.(ЮЛ) Мо0. и (100), (НО) бйи Са/к нач дается с образования отдельных, параллельно ориентированных призматических кристалликов, Их концентрация меньше, а длина бол1 за, чем вше температура подложи. Минимальная толщина

образования Сплошного слоя зависит от температуры зоны подложи.

о

Толщина кристаллов, растущих при Т=7Ю К, равнялась 600-70С А.

* ■ ' ' ■ ''

При Т«9Ю К мояно было наблюдать рост отдельных кристалликов высоты ~ 1,6 мкм. Такие кристаллики растут исключительно £0001}, т.е. растущей являе :я цинковая сторона кристалликов. С увеличением относительного выхода реакции ^ при постоянной температуре подложки наблюдалось утаньвение. минимальной толщины образования сплоютогр. своя . При этом наблюдалось формирование более гладкой поверхности в .результате уменьшения вые ты ступеней, а X -.сстояиие мекду ними увеличилось, На (ЮН) /г^^ось С кристалликов 2пО параллельна плоскости грани подлодки, В случае применения граней (1.Л0) и

(Т120) /к%рз криста^чики роста оксида цинка наклонены к плоскости под.'ожки и иметт вытянутую в од нем направлении форму. С., и с - ранены плоским • гранями, связанными "е-,. '¡у собой г ясной завис 'мостыо. Срастание наклонных

плоскостей огранки кристалликов приводит к росту толщины пленки t образования мякроплсскости, которой соответст уст инг. кеч Миллер (1010), и эта плоскость наклонена к плоскости грани (1320^ на угс; 61°36'.Рост плечки ZnO на грани (IOÍO) М203 отличртся от роста на (3120) только величиной угла наклона оси С растущих кристалликов к плоскост1 подложки

Гораздо елот-нее получить гладкий 'днородшй слой ZnO на гранях (1032) ^-^С • Рост пленок на этих гранях гораздо больше чувствителен к изменению параметров процесса получения по сравнение с ростом в других гранях A(¡0j * На растущей поверхности пленки на (1032) W/^j присутствуют возвышающиеся над основной поверхностью более крупные фигуры, часто объединяющиеся в линейные сово;./п- ■ ности. Такие совокупности возникают в места линей? ix царапин, границ блоков подложки.. В работе объяснена причина роста подобных деффектов в пленке. .■ '

При использовании в качества подложек G-c и G-а А? наблюдается • диффузия атомов подложен в растущий слой ZnO . Нами прпхлетоно на таких подложках ьолучаТь пленки, ZnO при больших знр.чега-w относительного выхода реакции (I), а для контроля диффузии птомпп подложки в растущий слой ZnO унимать спектры фсто-и катодолши-несценции./ _. ; „

• Изучена зависимость электрических параметров пленок ZnO от условий их.получения по реакции (I), Экспериментальная работа показала, что пленки ZnO со свойствами, 'лизки"и к своРствза» нс?тч -¡лих монокристаллов,получаемых из газовой фазы,осаждаются на. ojuru-гирую'цих подложках в атмосфере. разбавленного парями веды эдер^д.» с давлением 1,7 I ,В атм., пели в зоне псылгжки температура

'Г, = 670 -i- 890 К, температура тигля Т0 = 980 f. 990 К. íL.-чки , 1 '

полученных в условиях, обладают проводимость« 6 =10" 0,1 .•• ! ем~*. '.(онпентрзцаеГ: 'яллчтроноз ; П ■ * 2.10^ * ¡г:

,п-*'чглг»нсс 'ь'о 10 . ■ ■ ' ,

2 Т Т

140 см В-1 С при 300 К, Такими характеристиками обладают плен; "2.П 0 с толщиной больна 1-2 мкм. Пленки меньезй тслщкш об лада?-/ деффектной структурой и их деффектность тем болыло, чем меньше толщина, Сказанное здесь в работе подтверждено таблицами и графиками результатов исмерашК,

Четвертый параграф стой глави посвящен изучению спекгралыю зависимости фото- и кагодолоникесцсицик. В работа использованы "чистые" и ..згированныо слои 2п(? о толщиной 2-3 мм п доказано, что зеленая пшинэеценцяя является объемным процессом, ответственность оа излучение при фото- VI катодовозбуждении носут низко-онергетическио возбуяценкие состояния 2,п0 . В слоях ЕпО , легированных галлием, в длиноволновой области спектра излученая при определенных темпе ратурах образца обнаруживаются каксимукд на Я-| «0,71 и Я-2^0,'77 мкм, связанные с примосьв галлия в О Из,учение *;:;г.ТиХ слоев %п 0 представляется широкой бесструктурной полосой, заккмакцей споктраяьную область от 0,440 до 0,62 мкм, с максимум нолучения на А «=0,510 мкм (полуширина полоси равна 0,4 аВ), .

Допиши" и подобный,: ш другими исследованиям! показано, что слои 2п0 , получотио б определенных условиях методой химичос-ких транспортних реакций, могут быть использовшм в качестве сцвнтилляторов ¿с - и уЗ - излучений, сопровождающих ядерниа реакции распада к синтеза, так как они в сравнимых условиях обладают на 20$ болыпз квантовой сффективностью, чем А/а 7 + Тс

- ! 19 ; -CCHD3IKE РЕЗУЛЬТАТУ

1. Ux оонспз cny6;iKKc*i£ii!:i¿x з литература работ дс''.аезка. спт!г>"!лы:гс?!, кзтез«* лолупзтлп иснокриогалка'зсюк пленок огеида

гдггеа ксгГспт.стезлп'.г« реакция :

Dímo/:'!S!!iicM тзр.-годиил.'.дазского пна.тоа г/зтедеч адсолятшпс знтро-íiüii c'jccnofnnti оптимальность rnScpa гзтеда и опрзделени пар?.-•тр» осучостЕгеняя процесса полу*:ск:м пленок: текпорлт^ру яг-ля н подлога?!, пзрндальгц;! состав исходной смеси гасц-водород-lU'pu зодм, или ;/г.онмзсг.ч^ гютда реакции ка:с пгненгьлеч

Tr-rcrtsriTyr:'! гигдл, tsí и пгкекгияо» доэлгття под срсда в системэ.

2. ¡'супиезлоно, что прдагтнсЯ нзрулзннп стеки смзгрп'-гзского -ссстапа емдка япяязтея нсстехпснетр..'.::1сеу!> газезей фаза л зопз позл;г,:'{'1. Методом pacora insn спргде.тсно ептгамлыюэ пзрцлзль-нсо дязлешю пчроз ведм, Г-стсрсэ долги о бггть установлено с водородом в скстсчо, наЗгледался реет п.»еноя стоукометрииес-кего .состава, От ввлипгн . сссгпзллст 13 % от парциального давления пор'оэ ттпниа в газовой фяяа, сотгстотззслого темпзрату-гл ncni истсчкка,

3. Ссучзстзгсно полулгпиэ мспокризталмч^сяих пленок на аистечках сяг>дц (t/уеиссит, йгоррлогепит), пластинах сапфира, арсг-Н!1да гадлил н гермзная. Установлено, что наиболее соверпен- -нцо слои растут на подлепнах.приразноети температур неяду зонами источника и подлески Д? ^ Ц/0 - 120 К (этому перепаду темпора-тур соответствует сиход тдшка п газодуя фазу, ратшй 3,5 %), обяем дзллгнии в системе ^бб'Ю^Па, тгмгтерчтурах тигля

900 - 1000 К и поглотал Тп« 870 - 690 К.

- го - ■;■

4. Проведеь.. электррнографаческие исследования выращенных ипонок, в результате которых шрадеяеш ориентация кристалликов относительно подяойек и величины кристаллографических несоответствий соответствующей пара подложка-пленка.

5. Исследованы начальные стадии роста и микроморфологии

• - '

пленок. Результатом отих исследований является установление отличия механизма формирования елся базисной ориентации. Рост пленки (ОООI? начинается с образования дискретных трехмерных кристаллика, объединяющихся затем в островки, Поело заполнения всей поверхности подлодки начинается рост следующего слоя, который также п| "тасходит путем образования дискретных кристалликов и тс срастания. ^тот ыехаыиаи роста продолуе^ей "до доептетя толщины пленки 0,3 к1км, а затем начинается стадия действия принципа геометрического отбора по'ходу'роста толщин пленки. Другой , . механизм формирования., пленки носит ярко шрагкнный слоистый характер'. В этом случае пвремецеииа ступеней роста всегда происходит в ¡мятном направь?иии кристаллика [ С001] . На поверхности таких пленок наблюдаются макроступени роста, если на поверхности подложки имеются м&лоугловыа граница блоков, ■

■ 6. Прог^дены исследования реальной структуры пленок в зависимости от ориег ации, толщина И условия выращивания. Установлена значительная неоднородность в распределении дислокаций и других дефектов по-толщине в пленке ориентации (0001), Наиболее высокая концентрация аёфектов 10^ - ТО^ сы"^ ) наб лдается в

тонком слое," грани-мщем с подложкой. Заметное уменьшение кон. цпнтрании дефектов наблюдается с толщины пленки 0,8 - 0,9 мкм, и в образцах толщиной больше 200 мкм концентрация дефектов сог-

А 9

тавляет ~ 10 см

7. Исследованы э. зктрические и га..ьва.номагнитны£ свойства

... ■ йл - -июне?!• При стом устглсззсяд, что уделит. проводимость пленоь, I озЬииг'остй от услеииЯ■■роста и ?о:г;яш, кеияетея_в' пределах

:02 - 10 Ом"^ , концентрация, яяоктррноз - от 2.10*®.до и их подз-.-тость - от-Ю до 160 см^ С . Легированием

■аллиси , облгдзг'ш, гцесдсП (гэяюяопдасаря! и агоглюй, сопмести-

сетьо с Zn О удамся. пояу^пть. крпсталлогр^фитзркл conepscmw

кскст ZnO о удз.дыгоЗ прогодимсстьп См"1. си"1; •

■ Показало,. ЗДо при yt'crrbKCirrt mrouerc китентрягетя пскгрснсз в ппх улзятеггг.зтел, а подтдг^сс'гь' уисдалается, и s'.y зязгло'иэ только ^сгт,"--nrpsiTiiit растворенного тшк» пгглкз* но и с .yss.crreiinrqM кс.чг'^Ьрасгя crpyxrypnux до$ектсп.

Иауягяа »сизерауурпл c:(5itc«£(»?t» аязятр^кзичзских еопйпс

■ ■ - . : - " ■ • .г. • ,

■спея раэк№ОЯ cp,.'.ci',7du,*::i и Это позволило нам 'сделать

ккт.ежо, что ь!К!одр!5Ст,тд;Ргод::;гэ rotcajtn • 8пО , пояучегам в

- ' ' '' г ' J ■

.!ос*орэ водорода'з спр-здзле::!"^ услсгнях, по фшческим. ?войст-■А по отлигг.птсл от нр^ольетх ма{с*'р:гстаялок, получаемо:

газовбй басп. г " - - - • ■ ■

■ 0. Предлог2И_негтгй спсссЗ ойрабетгд пг"ер:агостн ¿/„О/ , ' шопп-ди;"! ппхропить рост. ratsiRKt "Ьпр?додс;д{сЯ ориентации. Метод гссая на цозм'стности рв'гуяирссшвт стру*.:тури грг.ни 03 до уктурм ептгезгей дходяпий типа MaAigD^ (Не -'атом металла),

9. Продяогэй способ регулирования. .конценграш« йзлучатояь-центроз лг»!инесц31щи1! в у -позволяющий. на основе слоев

2-3 мм изготовить ецштиляятор.^ сблидеядие на 2СЙ ьшей квантовой »^активность1», .чем ет?ядартшй. сцинтиллятор i7 + Tl

. Изучены фото- и катвдйтелтесцонция таких слоев

ада цинка.

Основные результаты диссертации изложены в оледущих работах: . »

1. Рабаданов P.A., Абдулнсдырова М.Х., Джзлул Абделькадер Особенности формирования монокристаллической структуры окиси цинка. Межвузовский научно-теоретический сборник "Широкозонные полупроводники".' г.Махачкала, 1986, с.157-160.

2. Джелул Абделькадер, Абдусаламов Г.А., Рабаданов P.A.

' Влияние-галлия на некоторые свойства пленок окиси цинка. Тезисы докладов ХП - республиканской научно-практической • конференции молоздх ученых и специалистов Дагестана "Молодежь и научно-технический прогресс", г.Махачкала, 1988, с.296. •

Цитированная литература

„I Рабаданов P.A., Семилотов С.А.', Магомедов З.А.

Структура и свойства монокристалличсских слоев окиси цинка. // ИТ. 1970. Т.12, $ 5, 'с.1431-1435.

—