Исследование свойств тонких пленок Ge аморфно-нанокристаллического состава методами ИК- и УФ-спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 544.77.022.823

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК Ge АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТОДАМИ ИК- И УФ-СПЕКТРОСКОПИИ

ВАЛЕЕВ Р.Г., *ВЕТОШКИН В.М, СУРНИН Д.В.

Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 *Удмуртский государственный университет, 426000, г.Ижевск, ул.Университетская, 1

АННОТАЦИЯ. Методами ИК-спектроскопии и УФ-спектроскопии были исследованы свойства тонких полупроводниковых пленок Ge аморфно-нанокристаллического состава. Пленки были получены методом термического испарения материала в сверхвысоком вакууме при различных температурах подложки. Было показано, что меняя процентное соотношение аморфной и кристаллической фазы в пленках можно контролируемо изменять ширину запрещенной зоны получаемых нанокомпозитных пленок Ge без дополнительного воздействия (легирование, облучение и т.д.).

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: тонкие пленки германия, УФ-спектроскопия, ИК-спектроскопия, нанокомпозитные материалы.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все больший интерес привлекают нанокомпозиты на основе кремния и германия. Несмотря на то, что полупроводниковые пленки германия (кристаллические, поликристаллические, аморфные) давно и систематически изучаются, нанокомпозитные (аморфные, с нанокристаллическими включениями) пленки являются новыми материалами, изучение которых началось сравнительно недавно [1, 2].

Нанокомпозиты, содержащие полупроводниковые наночастицы, привлекают внимание уникальными свойствами входящих в их состав кластеров, образованных разным количеством атомов — от десяти до нескольких тысяч. Нелинейные оптические свойства таких нанокластеров позволяют создавать на их основе управляемые квантовые светодиоды для применения в микроэлектронике и телекоммуникации.

Одним из подходов к получению наноструктурных полупроводниковых приборов из кремния и германия является простой и относительно дешевый метод термического испарения материала в сверхвысоком вакууме [3]. Варьируя такие параметры, как температура испарителя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, можно получить с различной аморфно-кристаллической структурой. При этом размер нанокристаллитов и процентное содержание нанокристаллической фазы в аморфной матрице непосредственно зависят от условий напыления.

В данной работе исследуются свойства аморфно-кристаллических пленок Ое с различным процентным содержанием аморфной и кристаллической фаз методами ИК-спектроскопии и УФ-спектроскопии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Пленки германия были получены методом термического испарения материала в сверхвысоком вакууме в диапазоне температур конденсации (25^250) °С (25 °С, 50 °С, 100 °С, 150 °С, 200 °С, 250 °С, образцы 1-6, соответственно).

Образцы были получены в камере сверхвысоковакуумного напыления, созданной на базе многофункциональной установки LAS-2000 (RIBER, Франция).

Локальная атомная структура пленок была изучена методом протяженных тонких структур спектров рентгеновского поглощения (EXAFS-спектроскопия). EXAFS-спектры

были получены в режиме выхода флуоресценции в Сибирском Центре Синхротронного Излучения, Новосибирск. Процентное содержание аморфной и кристаллической фаз в пленках определялось методом, описанным в [4].

Морфология поверхности образцов была исследована в Физико-техническом институте УрО РАН (Ижевск) методом атомной силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Solver-Pro (NT-MDT, Россия) в полуконтактном режиме и режиме фазового контраста.

По данным EXAFS-спектроскопии и атомной силовой микроскопии было показано, что пленки имеют аморфно-нанокристаллический состав, процентные доли аморфной и кристаллической фаз зависят от температуры конденсации.

УФ-спектры исследуемых образцов были получены на УФ-видимом спектрофотометре Lambda 35 (Perkin-Elmer). Исследования методом ИК-спектроскопии проводились на ИК-спектрофотометре Spectrum One (Perkin-Elmer) (ФНМ МГУ им. Ломоносова).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рис. 1 представлены исходные ИК-спектры поглощения пленок Ge полученных при разных температурах. Видно, что с увеличением температуры конденсации пленок поглощение ИК-излучения уменьшается. Это говорит о том, что уменьшается толщина пленок вследствие уменьшения адгезии Ge к подложке. На ИК-спектрах наблюдаются пики, соответствующие молекулярным связям Ge-O и Si-O, которые обусловлены наличием кислорода как на поверхности пленок Ge, так и на поверхности подложки Si до напыления. При увеличении температуры конденсации растет размер нанокристаллитов в пленках [3], суммарная площадь границ раздела аморфный полупроводник - кристаллический полупроводник уменьшается, на что указывает уменьшение количества кислородных связей (уменьшение амплитуды соответствующих пиков) Ge-O.

Рис. 1. ИК- спектры поглощения пленок Ge, полученных при различных температурах подложки

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Длина волны, cm-

-1

1 - 25 °С; 2 - 50 °С; 3 - 100 °С; 4 - 150 °С; 5 - 200 °С; 6 - 250 °С

Результаты исследований пленок методом спектроскопии УФ-поглощения представлены на рис. 2. Анализ полученных спектров позволил рассчитать значения ширин запрещенной зоны (см. табл.). Из табл. видно, что величина Eg не меняется в пределах ошибки вплоть до температур конденсации 150 °С. При температуре 200 °С значение увеличивается. Ранее [4] было показано, что структурное состояние (процентное соотношение аморфной и кристаллической фаз, размер нанокристаллитов в аморфной матрице) сильно зависит от температуры конденсации, а именно, процент кристаллической фазы и размер зерна растут с ростом температуры. Известно, что ширина запрещенной зоны зависит от количества дефектов структуры, поэтому в аморфном полупроводнике величина Eg больше, чем в поликристаллическом. Такое поведение величины ширины запрещенной зоны хорошо согласуется с изменением структурного состояния образцов. Таким образом, меняя процентное соотношение аморфной и кристаллической фазы в пленках (что задается режимами получения пленок), можно контролируемо изменять ширину запрещенной зоны получаемых нанокомпозитных пленок Ge без дополнительного воздействия (легирование, облучение и т.д.).

Длина волны, нм

1 - 25 °С; 2 - 50 °С; 3 - 100 °С; 4 - 150 °С; 5 - 200 °С; 6 - 250 °С Рис. 2. УФ- спектры поглощения пленок Ge, полученных при различных температурах подложки

Таблица

Зависимость ширины запрещенной зоны от температуры конденсации Ge

Температура конденсации Т, °С Ширина запрещенной зоны Eg, эВ

25 1,34±0,02

50 1,34±0,02

100 1,33±0,02

150 1,33±0,02

200 1,43±0,02

250 -*

* - Ширина запрещенной зоны не определена вследствие малой толщины полученной пленки.

Авторы выражают благодарность А.А. Елисееву (ФНМ МГУ им. Ломоносова), В.Е. Порсеву (ФТИ УрО РАН) и Э.А. Романову (ГОУ ВПО УдГУ) за помощь в проведении исследований и обсуждение их результатов.

Работа выполнена в рамках проекта Программы Президиума РАН № 27 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hofmeister H., Junghanns T. Formation of nanocrystalline structures in amorphous thin films of germanium // Journal of Non-Crystalline Solids. 1995. V. 192&193. P. 550.

2. Niu X., Dalala V.L. Growth and properties of nanocrystalline germanium films // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. P. 096103.

3. Kobziev V.F., Zolotaryova O.A., Deev A.N., Ruts Yu.V. et al. The structure and properties of nanocrystalline Ge // Phys. Low-Dimensional Structure. 2002. V. 1/2. P. 315.

4. Valeev R.G., Deev A.N., Ruts Yu.V. The contribution of amorphous phase in nanocrystalline thin films of Germanium and Gallium Arsenic // Surface and Interface Analysis. 2004. V. 36. P. 955.

INVESTIGATIONS OF AMORPHOUS-NANOCRYSTALLINE THIN FILMS OF GE BY THE METHODS OF IR- AND UV- SPECTROSCOPY

Valeev R.G., *Vetoshkin V.M., Surnin D.V.

Physical-Technical Institute of Ural Brunch of RAS, Izhevsk, Russia * Udmurt State University, Izhevsk, Russia

ABSTRACT. The properties amorphous-nanocrystalline thin films of Ge have been studied by the methods of IR- and UV- spectroscopy. Films were obtained by the method of thermal evaporation in ultra-high vacuum at different substrate temperatures. It have been shown, that by changing a percentage of an amorphous and crystal phase in nanocomposite films of Ge a controllable changing of band gap without additional influence (ion etching, irradiation, etc.) is possible.

KEYWORDS: Ge thin films, UV-spectroscopy, IR-spectroscopy, nanocomposite materials.

Валеев Ришат Галеевич, кандидат физико-математических наук, ученый секретарь ФТИ УрО РАН, тел.: (3412) 43-01-63, 43-02-94, e-mail: [email protected], [email protected]

Ветошкин Владимир Михайлович, инженер кафедры ФТТ УдГУ, тел.: (3412) 91-61-36

Сурнин Дмитрий Викторович, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник ФТИ УрО РАН