CC BY
11ФИЗИКА
УДК539.231:535.016
А.Э. Муслимов1, В.А. Бабаев2, В.Е. Асадчиков1, В.М. Каневский1, М.Х. Рабаданов2
Применение наноструктурированных подложек лейкосапфира для получения
совершенных кристаллических полупроводниковых пленок и регулярных
металлических наноструктур
1 Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова, г.Москва
2 Дагестанский государственный университет; [email protected]
Разработана лабораторная технология получения пластин лейкосапфира с регулярным на-норельефом. Показана их перспективность для получения монокристаллических пленок теллу-рида кадмия и создания упорядоченных ансамблей частиц золота для оптических применений.
Ключевые слова: лейкосапфир, теллурид кадмия, монокристаллические пленки, атомно-силовая микроскопия, рентгеновское рассеяние.
The laboratory technology of receiving plates of leucosapphire with a regular nanorelief is developed. Their prospects for receiving single-crystal films of telluride of cadmium and creation of the ordered ensembles of particles of gold for optical applications are shown.
Keywords: leucosapphire,cadmium telluride,monocrystal films, atomic force microscopy, X-ray scattering.
Различные микроэлектронные устройства, оптические элементы - как видимого диапазона, так и рентгеновские - обычно создаются на сверхгладких подложках различных монокристаллических материалов. В настоящей работе показаны перспективы использования для этих целей наноструктурированных подложек из синтетических монокристаллов сапфира. Показано, что террасно-ступенчатая структура таких подложек позволяет при эпитаксии получать на них достаточно совершенные монокристаллические пленки полупроводников, в частности CdTe, несмотря на несоответствие параметров решетки пленки и подложки. Ранее подобный эффект был отмечен лишь для пленок GaN [1]. Кроме того, при наличии такой структуры подложки удается создавать на всей поверхности ориентированные нанопроводки золота, которые могут быть использованы в качестве контактов при создании микросхем. Нами разработаны лабораторная технология получения нанорельефа на поверхности сапфираи комплексный подход, включающий взаимодополняющие методы контроля состояния поверхности и нанесенных покрытий.
Состояние поверхности наноструктурированных подложек оказывает непосредственное влияние на качество изготавливаемых элементов [2,3]. Поверхность монокристалла, отполированная до состояния, близкого к атомно-гладкому, представляет собой пример самоорганизующейся системы. В частности, в работе [4] отмечается появление атомных ступеней на поверхностях монокристаллов, подвергшихся специфической обработке. В случае оксидных кристаллов такие поверхности обладают высокой стабильностью в нормальных условиях [5].
Дальнейшее развитие по всем направлениям применения подложек с нанострукту-рированной поверхностью требует прежде всего достаточно точной характеризации их параметров. Помимо шероховатости здесь возникают такие параметры, как период поверхностного нанорельефа, степень его нерегулярности по поверхности подложки,
преимущественное направление. Определение этих параметров проводилось нами с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновского рассеяния (РР).
Методом АСМ получен набор изображений поверхности лейкосапфировых подложек с нанорельефом (рис. 1). Метод позволяет измерять непосредственно профиль исследуемой поверхности, но ограничен размером области сканирования -обычно он не превышает 100*100 микрон. Проблема состоит в том, чтобы определить, насколько сохраняется по всей остальной поверхности подложки структура, наблюдаемая на полученных изображениях.
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
МКМ
Рис. 1. Изображение поверхности наноструктурированной сапфировой подложки
Для того чтобы выяснить степень регулярности структуры по всей поверхности, применена методика рентгеновского рассеяния в условиях полного внешнего отражения. Ранее она применялась для исследования параметров шероховатости изотропных поверхностей [6]. Применяемый нами подход к описанию рассеянного поверхностью излучения основан на теории возмущений [7]. Согласно этой теории индикатриса рассеяния прямо пропорциональна функции спектральной плотности мощности высот шероховатости (PSD-функцию), которая даёт спектральное представление профиля поверхности, усреднённое по области засветки рентгеновским излучением, составляющей обычно около 100 мм2. Интеграл от PSD-функции по доступному диапазону пространственных частот даёт значение эффективной высоты шероховатости.
Поверхность с рельефом, имеющим выраженный период и направление, взаимодействует с излучением как дифракционная решётка. При измерении индикатрисы под углом к направлению рельефа на ней регистрируется дифракционный пик. Его угол, а соответственно и пространственная частота, будут зависеть от азимутального положения образца, которое определяет некоторое усреднённое по поверхности значение эффективного периода.
Измеряя индикатрису рассеяния при различных азимутальных положениях образца, можно получить искомые параметры решением системы линейных уравнений.
Для образца сапфировой подложки совпадение пиков на PSD-функциях, полученных методами АСМ и РР, достигается при угле направления рельефа в 37 градусов.
Значение эффективной высоты шероховатости составило 0.25±0.05 нм. Эффективный период,рассчитанный из данных АСМ и РР, составил 101 и 109 нм соответственно. Нерегулярность структуры в наномасштабе, по данным АСМ, составила 4 нм. В миллиметровом масштабе, по данным РР, этот параметр составил 14 нм. Таким образом, метод рентгеновского рассеяния позволяет не только определить параметры поверхно-
стной наноструктуры, но и оценить степень её разупорядоченности в макромасштабе. Применение комплексного подхода дало возможность отработать режимы получения на поверхности лейкосапфира нанорельефа с заданным периодом и высотой ступеней.
Использование сапфировых подложек с известным нанорельефом позволило нам подобрать условия эпитаксии пленок CdTe, обеспечивающие их более высокое структурное совершенство. На рис. 2 приведены электронограммы пленок CdTe, выращенных на изотропной подложке (а) и подложке с регулярным террасно-ступенчатым нанорельефом (б).
Отметим, что полученные значения периода террасно-ступенчатых структур на поверхности сапфира близки к длинам волн оптического диапазона и при нанесении соответствующего покрытия они могли бы найти оптическое применение.
622 402 1» 042 262
7Т1 «51) 773
624 ®444 264
Рис. 2. Электронограммы пленок СЭТе, выращенных на изотропной (а) и наноструктурирован-ной (б) подложке лейкосапфира
В качестве наносимого материаланами было использовано золото, поскольку оно имеет низкую температуру плавления, обладает химической стойкостью, характеризуется повышенной концентрацией свободных электронов проводимости. Также известно, что частицы золота могут декорировать дефекты кристаллической структуры, проявляющиеся на поверхности [8]. Применение данного эффекта на практике получило название графоэпитаксии, при этом характерные размеры рельефа на подложках имели величину порядка нескольких микрон [9]. Реализация этой технологии в наномасштабе позволила бы получать на поверхности сапфира регулярные ансамбли наночастиц, однако из-за малости характерных размеров рельефа и диэлектрических свойств подложки возникает технологическая трудность их элементной идентификации и визуализации. Нам удалось решить данную проблему путем усовершенствования методики получения фазоконтрастного АСМ-изображения. Проводилось сканирование в двух противоположных направлениях с последующей программной доработкой режима отображения фазового контраста, что позволило разделить латеральные рельефы подложки и покрытия. На рис.3 представлены полученные результаты. Такая методика позволяет повысить контрастность в 1,5 раза. Дальнейшая идентификация частиц золота производилась по локальным физическим параметрам (сила адгезионной связи и модуль упругости), что выполнялось посредством контактной спектроскопии.
а) б)
Рис. 3. Топографическое и суммарное изображение фазового контраста для наночастиц золота
В ходе исследовательских работ по нанесению покрытия золота на наноструктури-рованные сапфировые пластины с использованием разработанной методики нанодиаг-ностики найдены условия формирования наноточек золотас плотностью 20-25 объектов на 1 мкм и нанопроводков золота с периодом 40-50 нм. С помощью АСМ обнаружено, что расположение частиц золота на поверхности носит регулярный характер и повторяет рельеф подложки (рис. 4). Дальнейшие оптические исследования обнаружили особенность в характеристиках коэффициента отражения S-поляризации электромагнитной волны (рис. 5).
0 0,2 0,4 0.6 0,8 1,0 1,2 1,4 0 °-2 °-3 05 °,6 0,7 0.8 0.9 1.0
Рис. 4. Атомно-силовые изображения наночастиц золота, нанесенных на наноструктурирован-ные сапфировые подложки
Рис. 5. Угловая зависимость коэффициентов отражения R для S- и Р-поляризованных волн (а) и их ДR = Яф= 0 -Яф= 0 (б)
Данная особенность связана с резонансным взаимодействием S-состояния поляризации с поверхностными плазмонами и возникает при совпадении вектора поляризации с направлением ступеней. Таким образом, впервые получены регулярные ансамбли на-ночастиц золота на наноструктурированной поверхности сапфира, которые могут служить функциональными устройствами в нелинейной оптике.
Заключение
Разработаны лабораторная технология получения регулярного нанорельефа на поверхности сапфира и комплекс взаимодополняющих методов контроля состояния поверхности и нанесенных наноразмерных покрытий, сочетающий методы атомно-силовой микроскопии и рентгеновского рассеяния. Реализована графоэпитаксия на на-номасштабе. Использование наноструктурированных сапфировых подложек позволило вырастить высокосовершенные кристаллические пленки CdTe и определить условия получения на них золотых регулярных нанопокрытий различной структуры. Показана перспективность золотых регулярных структур для оптических применений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Госзадания №2.2172.2011 и Программы стратегического развития «Дагестанский государственный университет».
Литература
1. Cui J., Sun A., Reshichkov M. et al. // MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. - 2000. - V. 5. - P. 7.
2. Kozhevnikov I.V., Voronov A.S., Roshchin B.S. et al. // Crystallography reports. -2006. - V. 51, № 6. - P. 1075.
3. ZanaveskinM.L., Roshchin B.S., Grishchenko Yu.V. et al. // Crystallography reports. -2008. - V. 53, № 4. - P. 701.
4. Yoshimoto M.,Maeda T.,Ohnishi T. et al. // Applied Physics Letters. - 1995. - V. 67. -P. 2615.
5. Asadchikov V.E., Butashin A. V., Volkov Yu.O. et al.// Inorganic Materials. - 2009. - V. 45, № 14. - P. 1635-1639.
6. Zanaveskin M.L., Zanaveskina I.S., Roshchin B.S. et al. // Bulletin of the Moscow state university. - 2006. -№ 3. - P.89.
7. Asadchikov V.E., Kozhevnikov I.V., Krivonosov Yu.S. et al.// Nuclear Instruments and Methods A. - 2004. - V.530. - P. 575.
8. Дистлер Г.И., Власов В.П., Герасимов Ю.М. и др. Декорирование поверхности твердых тел. - М.: Наука, 1976. - C.112.
9. Givargizov E.I. // Journal of Crystal Growth. - 2008. - V. 310. - P. 1686.
Поступила в редакцию 16.12.2012 г.
