Получение методом импульсного лазерного напыления тонких пленок

МИНОБРНАУКИ РОССИИ



Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»



Физический факультет

Кафедра квантовой радиофизики



Лебедев Владимир Владимирович




Получение методом импульсного лазерного напыления тонких пленок ZnO (Mg, Al) и исследование их оптических, структурных и фотоэлектрических свойств



МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

по направлению 03.04.03 – Радиофизика. Физика радиоволн.



Научный руководитель –

зав. лаб. НИИМ и ПМ ЮФУ, к.ф.м.н., доцент кафедры нанотехнологии Кайдашев Е.М.



Рецензент – д. ф. – м. н. Абдулвахидов К. Г.










Ростов-на-Дону

2018



1


Введение……………………………………………………………………..

Error! Bookmark not defined.

1 Основные физические свойства оксида цинка………………………..7 1.1 EDX-анализ мишени……………………………………….….……..7
1.2	Структурные свойства ZnO……………………….…………………8

1.3	Оптические свойства ZnO…………………………………………..11

2 Изменение структурных свойств при допировании…………………13

2.1	Допирование Мg, Аl………………………………………………..13

2.2	Одновременное допирование Мg, Аl………………………………13

2.3	Фотоприемники УФ-диапазона на основе ZnMgАlО……………..15

3 Обзор литературы по получению тонкопленочных структур на основе zno методом ИЛН……………………………………………...17

4 Пьезоэлектрические резонаторы на ПАВ…………………………….21

4.1	Подложки с тонкими пьезоэлектрическими слоями……………...22

4.2	Технология изготовления акустоэлектронных устройств………..22

5 Методы получения и исследования тонких пленок ZnMgAlО……..25 5.1 Импульсное лазерное напыление пленок ZnO:Mg, Al……………25

5.2   Метод    изучения    время-разрешенных    фото-электрических характеристик тонких пленок………………………………………31

6 Получение и исследование образцов…………………………………33 6.1 Условия получения образцов……………………………………….33

6.2   Исследование структурных свойств пленок ZnMgAlO…………….34

6.3   Свойства оптического поглощения плёнок ZnO(Al,Mg)…………35

6.4   Изучение   время-разрешенных   фото-электрических   откликов пленок ZnMgAlO……………………………………………………36

7 Выводы………………………………………………………………....38

Список используемой литературы……………………………………39


2

РЕФЕРАТ








































































3

ВВЕДЕНИЕ

Oксид цинка (ZnO) являeтся прямозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны при комнатной температуре 3.37 эВ, высокой энергией связи экситона (~60 мэВ) и низким удeльным сопрoтивлением. Интенсивные исследования ZnO в настоящее время можно объяснить огромными потенциальными возможностями его применения в качестве материала для фотоэлементов, полупрoводниковых светоизлучающих диодов, прозрачных контактов, солнечных элементов и других элементов микрo и нанофотоники. Оксид цинка является оптически прозрачным в широком диапазоне, обладает высокой стойкостью к облучению, податлив к химическому травлению, является биологически совместимым и относительно дешев, что делает его привлекательным для применения в микроэлектронике.

В настоящeе время существует огромное количество различного вида светоизлучающих диодов, которые имеют высoкую интенсивность электролюминесцeнции, получившие очень ширoкое применeние в различных oтраслях. Тем не менее, элeменты, из которых изготавливаются эти структуры, могут быть замeнены на другие,

имeющие целый ряд преимуществ, нaпример, на оксид цинка.

Однакo обозначенные выше свойства оксида цинка не могут быть пoлностью реализованы в оптоэлектрoнных устройствах, таких как ультрафиолетовые лазеры и светoдиоды, если не будет разработан метод получения пленок со стабильной проводимостью р-типа. В то время как допирование для получения прoводимости n-типа успешно может быть дoстигнуто с рядом элемeнтов, таких как водoрод, алюминий, галлий [1], достoверных сообщений об эффективных разработанных методиках допирования оксида цинка для получения

4

дырочной проводимости в тонких пленках в настоящее время немного. Потенциальными акцепторами являются элементы I группы, занимающие место атомов цинка, и элементы V группы, размещающихся вместо атомов кислорода[2, 3]. В б льшинстве исследований последних 10 лет в качестве элемента-акцептора для получения образцов p-типа использовался азот. Основным аргументом является расположение акцепторного уровня вблизи нижней границы зоны проводимости [4]. Однако, в отличие от этих прогнозов, последние расчеты, основанные на теории функционала плотности, показывают, что замещaющий азот является глубоким акцептoром [5]. На практике легированию зотом препятствует ряд проблем, некоторыми из которых являются низкая растворимость и формирование комплексов, таких как N2 и Zni-No [6, 7].

В последнее время появляется всё больше работ, указывающих на эффективность легирования оксида цинка алюминием (Al) и магнием

(Mg) [8-11]. Как известно, запрещенная зона ZnO обычно модулируется легированием Mg. Однако пленки ZnMgO при большом содержании Mg, обладают высоким сопротивлением. Таким oбразом, существует противоречие между высокой проводимостью и широкой запрещенной зоной в пленках на основе ZnO. Поэтому соoбщенное значение запрeщенной зоны прoзрачных провoдящих пленок AZO вряд ли может превышать 3,6 эВ [36]. Al-легирoванный ZnO (AZO) пpивлек бoльшое внимaние к замене обычно используемого Sn-легирования из-за высокого прoпускания, высoкой проводимoсти, нетоксичности и низкой стoимости [37, 38].

Модуляция запрeщенной зоны и высокая провoдимость полученных пленок были рeализованы путем допирования Mg-Al.



5

Целью данной работы являлось получение тонких пленок оксида цинка, допированного магнием и алюминием, имеющих хорошие оптические и электрические характеристики, а также исследование свойств этих пленок.

Объектами исследования стали пленки ZnMgAlO которые были получены методом испульсного лазерного напыления на подложках LiNbO3 YX128? и SiO2. Излучение эксимерного лазера KrF CL-7100 c длиной волны 248 нм, частотой следования импульсов 10 Гц фокусировалось на вращающейся мишени ZnMgAlO (Al ~1% и Mg ~20%). Плотность лазерной мощности в пятне испарения составляла 200 мДж.













































6

1 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДА ЦИНКА

1.1	EDX-анализ мишени

Для выявления состава мишени был проведен энерго-дисперсиооный анализ (EDX)* мишени ZnMgAlO. Он выявил содержание Mg – 17 at%, Al – 0.5 at%*






















































Рисунок 1.EDX –анализ мишени. Изображение мишени в растровом электронном микроскопе (а) EDX – анализ мишени (б).

7

1.2	Структурные свойства ZnO

Оксид цинка ZnO –прямозонный полупроводником n-типа со структурой вюрцита, входящий в группу соединений А2В6/ его ширина запрещенной зоны при 300 К составляет ~3,37 эВ [12]. Элементарная ячейка ZnO состоит из комбинации двух видов атомов: цинка (Zn) и кислорода (О). Оксид цинка обладает рекордно высокой среди бинарных полупроводников энергией связи экситона ~ 60 мэВ по сравнению с 26 мэВ для GaN, 22 мэВ – для ZnSe и 4,2 мэВ – для GaAs. Большинство бинарных полупроводниковых соединений A2B6 кристаллизуются в двух близких между собой алмазоподобных структурах: сфалерита и вюрцита. В этих структурных типах каждый атом окружен четырьмя атомами другого вида, т. е. они проявляют одинаковую валентность, равную четырем. Подобная тетраэдрическая координация характерна для sp3 ковалентной связи, однако такие материалы имеют также существенный ионный характер связи [17]. ZnOпо характеру ионности различают три основных кристаллических структуры ZnO: вюрцит, сфалерит и каменная соль (рис. 2).





















Рисунок 2.Кристаллическая структура ZnO: а – каменная соль, б – сфалерит, в – вюрцит.

8



Структура вюрцита при нормальных условиях является термодинамически стабильной фазой и имеет гексагональную ячейку с параметрами a и c (рис. 3), соотношение которых c/a=(8/3)1/2=1,633. Она

состоит из двух взаимопроникающих плотноупакованных гексагональных подрешеток, каждая из которых содержит атомы одного вида, которые смещены друг относительно друга вдоль оси c на расстояние u=3/8=0,375. Каждая подрешетка включает в себя четыре атома в элементарной ячейке, а каждый атом Zn окружен четырьмя атомами O и наоборот, при этом окружающие атомы координируются в углах тетраэдра. В реальном кристалле ZnO структура вюрцита отличается от идеального расположения соотношением c/a или значением u. Следует отметить, что наблюдается строгая корреляция между c/aили значением u. Когда c/a уменьшается, параметр u увеличивается таким образом, что эти расстояния остаются почти постоянными в результате искажения тетраэдрических углов из-за дальнего полярного взаимодействия [18].






























9

Рисунок 3. Схематическое изображение ZnOсо структурой вюрцита, где

а и с –постоянные решетки, а параметр u определяется как отношение с к минимальному расстоянию между соседними атомами b.

Постоянные решетки в основном изменяются от 0,3248 до 0,3286 нм для параметра а и от 0,5241 до 0,52075 нм для параметра с (табл. 1). Из таблицы 1 видно, что при уменьшении соотношения c/a параметр u увеличивается. Соотношение с/a и параметр u изменяются в более широком интервале: от 1,595 до 1,6035 и от 0,3796 до 0,3810 соответственно.

Таблица 1. Полученные параметры решетки ZnO, соотношения c/a и параметра u, по данным нескольких групп.
















a, f-расчет первоначальной периодической линейной комбинации атомных орбиталей (LCAO);

b, e-определено с использованием рентгеновской дифракции;

c-определено с использованием EDАX;

d-определено с использованием рентгеновской порошковой дифракции.

Как и в других полупроводниках A2B6, структура вюрцита в ZnO преобразуется в структуру каменной соли под действием относительно высокого гидростатического давления. Причиной трансформации


10

является то, что при уменьшении размеров решетки возникает межионное кулоновское взаимодействие, которое усиливает ковалентную природу связи. В работе [31] было показано, что такой фазовый переход осуществляется под давлением около 10 ГПа и сопровождается уменьшением объема до 17 %. Авторами было обнаружено, что данная фаза является метастабильной в течение длительного времени даже при атмосферном давлении и температуре выше 100 °C.

Параметры решетки полупроводника зависят от следующих факторов:

1) концентрации свободных электронов, которая действует через потенциал деформации минимума зоны проводимости, занятого этими электронами;

2) концентрации атомов примеси и дефектов и разницы их ионных радиусов относительно замещенного иона матрицы;

3) внешних деформаций (например, наведенных подложкой);

4)температуры.

С другой стороны, строгую периодичность решетки нарушают ее несовершенства или дефекты. Эти несовершенства имеют решающее влияние на механические, тепловые, электрические и оптические свойства полупроводников. Они определяют пластичность, твердость,

тепло- и электропроводность материала [21].

1.3	Оптические свойства ZnO

Благодаря значительной энергии связи экситона появляется возможность эффективной лазерной генерации при комнатной температуре. Спектры люминесценции ZnO при оптическом


11

возбуждении имеют две характерные полосы излучения – узкую полосу в УФ- области (? ~ 380 нм, ?? ~ 15 нм), обусловленную прямой рекомбинацией экситонов, и широкую полосу в зеленой-красной области (? ~ 500 нм, ?? ~ 100 нм) [15]. Полосу излучения в видимой области связывают с наличием в запрещенной зоне донорных или акцепторных уровней, которые обусловлены собственными дефектами или примесями. Наличие кислородных вакансий также оказывает влияние на чувствительность сенсора [22, 23]. В частности, Phan et. al. [22] показали, что с увеличением интенсивности фотолюминесценции в зелёной области, обычно связываемой с кислородными дефектами, чувствительность сенсоров к CO возрастает. Хорошим индикатором увеличения количества дефектов в ZnO считается рост интенсивности “зелёной люминесценции” (ЗЛ) в образцах. Специально вопрос о влиянии кислородных вакансий на чувствительность хемосенсора на основе наностержней ZnO исследовался для случая NO2[24]. Химические механизмы чувствительности сенсоров оксидов имеют сходную природу и могут рассматриваться совместно для ряда газов, включая CO. В частности, отмечено уменьшение количества кислородных вакансий (уменьшение ЗЛ) в сенсоре NO2 на основе оксида цинка при отжиге сенсора в водороде. При этом чувствительность сенсора снижается. Высокотемпературный отжиг в атмосфере аргона подобно вакуумному отжигу напротив создаёт дополнительные кислородные вакансии (увеличивается ЗЛ), а также приводит к увеличению концентрации электронов в ZnO [23, 25]. При этом чувствительность сенсора возрастает. Однако, следует отметить, что широкая полоса “зелёной люминесценции” может состоять из целого ряда структурных дефектов различного вида, как донорных, таких как Zni (атом цинка в

12

междоузлие) и Vo (вакансия кислорода), так и акцепторных, таких как VZn (вакансия Zn), Oi (атом цинка в междоузлие) и OZn (атом кислорода на месте цинка), а также их комбинаций [26, 27, 28, 29, 30]. Виды возникающих дефектов определяются методами роста и пост обработки оксида цинка. Таким образом, вопрос о природе глубоких дефектов в запрещённой зоне и их влиянии на хемосорбционные ZnO пока остаётся не достаточно изученным и требует дальнейшего анализа.

2 ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ ПРИ ДОПИРОВАНИИ

2.1 Допирование Мg, Аl

Допирование ZnO атомами Mg позволяет увеличить ширину запрещённой зоны с ~3.37 эВ до ?4.05 эВ при концентрации Mg 49mol% [7]. Это позволяет сдвинуть диапазон чувствительности фотодетектора на основе ZnO в УФ область спектра 220-260 нм [8]. Однако высокое содержание атомов Mg к кристаллической решётке ZnO приводит к образованию напряжений и дислокаций, и оптические свойства материала ухудшаются. Кроме того, удельное сопротивление плёнок твёрдых растворов Zn1-xMgxOна несколько порядков выше по сравнению счистым ZnO. Легирование ZnO атомами Al,напротив, сильно снижает удельное сопротивление, приближая его проводимость к металлической.





2.2 Одновременное допирование Мg, Аl

Значительные преимущества в гибкости свойств фото-электрических свойств ZnO достигаются при его одновременном допировании атомами MgиAl. Так ширина зоны варьируется в широком диапазоне с помощью

13

концентрации Mg, а проводимость – соотношением Alи Мg в оксиде ZnMgAlO. Так, к примеру, плёнки Zn0.96?xMgxAl0.04O (x=0.25) могут одновременно обладать большой шириной запрещённой зоны 4.5эВ и низким удельным сопротивлением 1.6 ? 10?3Омхcm [10].В связи с тем, что постоянная решётки для Al2O3 больше, а для MgO – меньше, чем у ZnO, параметр решётки для ZnMgAlO может быть близок к ZnO [9]. В частности, параметры решётки плёнки Zn1-x-yMgxAlyO близки к ZnO когда соотношение x/y составляет ~2.8 (MgO/Al2O3 ? 5.6), даже если выбранные концентрации Mg и Al выбираются произвольно [9]. В то же время ширина зоны плёнки Zn1-x-yMgxAlyO возрастает с ростом концентрации Mg и Al.Таким образом, максимум чувствительности фотодетекторов на основе ZnMgAlO может быть сдвинут далеко в УФ диапазон, а проводимость подстроена под нужды конкретного устройства. Малые структурные напряжения в плёнках ZnMgAlOмогут

позволить достичь высоких оптических/фото-электрических характеристик фотодетекторов на их основе. Качество кристаллической структуры плёнок ZnMgAlO остаётся высоким пока концентрация Al не превышает ~4-5 at. mol. % [10]. В частности, такие результаты были получены для фиксированной концентрации Mg10 at.mol%.При концентрациях Mg более ~30at.mol. % [9] в Zn1-xMgxO структура также ухудшается. Поэтому ожидается, что плёнки ZnMgAlO с лучшими фотоэлектрическими характеристиками могут быть получены при концентрациях Mg менее 30 at.mol %.

Кроме концентрации легирующих примесей на структурные, оптические и электрические свойства плёнок серьёзное влияние также оказывают условия их синтеза. Наиболее критичными для структурных свойств является температура роста и давление кислорода. Другим важным фактором является энергетика атомов/молекул/кластеров на

14

поверхности подложки в момент момент зарождения структуры. Энергетика при нуклеации плёнки сильно различается для различных методов синтеза и определяется рядом параметров и особенностей для каждого отдельного метода. Поэтому, оптимальные значения температуры синтеза и давления кислорода в для разных методов синтеза различаются. Более того, даже для одного метода, такого, примеру, как импульсное лазерное напыление, различные условия абляции вещества, т.е. различные длина волны лазерного излучения, плотность мощности в пятне испарения и выбранное расстояние мишень-подложка могут приводить к различной энергетике плазменного факела в зоне напыления и, как результат, к различным свойствам плёнки, синтезированной при одинаковой температуре и давлении кислорода.

2.3 Фотоприемники УФ-диапазона на основе ZnMgАlО

Создание УФ фотодетектора на основе фоточувствительной плёнки ZnMgAlO, расположенной в канале распространения поверхностных акустических волн является ещё более сложной задачей. Допустимый диапазон темновой/световой проводимости фоточувствительной плёнки ZnMgAlO продиктован особенностями затухания акустической волны в плёнке за счёт акустоэлектронного взаимодействия. Так, к примеру, при высоких концентрациях Mg концентрация электронов в плёнке в темновом режиме мала и волна проходит через неё почти без затухания. Напротив, при высоких концентрациях Al проводимость увеличивается, что вызывает резкое затухание ПАВ в темновом режиме. Эти оба типа плёнок ZnMgAlO непригодны для использования в качестве фоточувствительного слоя в фотодетекторе на основе ПАВ. Для данной задачи требуется создание плёнки ZnMgAlO, имеющей умеренные


15

значения проводимости в темновом режиме, способную изменяться при облучении УФ излучением. При этом от плёнки ZnMgAlO требуется

высокое быстродействие (малое время нарастания при засветке/восстановления свойств в темновом режиме). Диапазон (“амплитуда”) изменения проводимости в режимах “on/off” может быть невысокой, если в качестве протокола детектирования применяется предложенный нами подход многократных переотражений ПАВ. Максимум спектральной чувствительности фотоприемников на основе ZnO можно смещать в область глубокого ультрафиолетового фотона ~ 250-300 нм с помощью дозирования Mg [7,8]. Однако сильно легированный Mg ZnO показывает очень слабую проводимость и оптические свойства, что ограничивает его использование в качестве чувствительного элемента глубокого ультрафиолетового ПАВ-фотоприемника. Одновременное легирование ZnO атомами Mg и Al может помочь в настройке электрических, оптических и структурных свойств ZnO в широком диапазоне и открывает возможность использования пленок Zn1-x-yMgxAlyO для глубокого УФ-детектора, встроенного в устройство SAW. В частности, ширина запрещенной зоны изменяется за счет увеличения содержания Mg, а проводимость может контролироваться изменением отношения x / y в оксиде Zn1-x-yMgxAlyO. Например, пленки Zn0,96-xMgxAl0,0OO (x = 0,25) показывают как ширину запрещенной зоны шириной 4,5 эВ, так и сопротивление 6 ? 10-3 Ом · см [10]. Помимо связанных с примесью аспектов, структурное

и оптическое качество пленки, полученной методом PLD, в значительной степени зависит от температуры роста пленки /

наноструктуры и давления кислорода. Изучаются оптические, структурные, решеточные колебательные моды и фотоэлектрические свойства пленок Zn1-x-yMgxAlyO на подложках LiNbO3, разработанных


16

методом PLD при различных давлениях кислорода и температурах роста, для оптимизации их свойств, которые будут использоваться в качестве чувствительного к ультрафиолетовому излучению элемента фотоприемника поверхностной акустической волны (ПАВ). Край оптической абсорбции для оптимизированной пленки Zn0,52Mg0,19Al0,007O

/ LiNbO3 был сдвинут на 320 нм,





3 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПОЛУЧЕНИЮ

ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ZNO

МЕТОДОМ ИЛН

В статье [33] определены условия эпитаксиального роста и исследованы свойства пленок MgxZn1-xO, полученных из мишеней с содержанием Mg

от 0 до 34 ат.%. Рентгеноструктурный анализ показал, что пленки тройного сплава MgxZn1-xO сохраняют кристаллическую структуру вюрцита с ориентацией вдоль оси с (001) в диапазоне значений x=0?0,45. Параметр решетки а пленок MgxZn1-xO монотонно убывает при увеличении концентрации х, а значение параметра с, оставаясь практически неизменным, немного превышало величину параметра с для пленки чистого ZnO в интервалезначений х вплоть до 0,35. На рис.4 приведены спектры поглощения (а) и спектры ФЛ (b) пленок

MgxZn1-xOв зависимости от концентрации Mg. Увеличение содержания магния в пленках приводит к













17







































Рисунок 4.Нормированные спектры поглощения (a), фотолюминесценции (b) и ширина запрещенной зоны Eg (с) пленок MgxZn1 -xO в зависимости от концентрации в них Mg.

сдвигу края фундаментальной полосы поглощения и положения УФ пика ФЛ в синюю область, при этом Eg возрастает от 3,30 эВ до 4,22 эВ. Химический анализ пленок показал, что содержание магния в пленках превосходит его содержание в керамических мишенях, а их отношение имеет линейную зависимость. Пленки сохраняли кристаллическую структуру вюрцита вплоть до значений x=0,45, а их среднеквадратичная шероховатость лежала в диапазоне 0,8?1,5 нм для значения x=0?0,27.

Рассогласование постоянных кристаллической решетки а пленок ZnO и Mg0,45Zn0,55O не превышало 1%. Характеристики тонких пленок

18

MgxZn1-xO дают возможность реализовать ненапряженные гетероструктуры MgxZn1-xO/ZnO для различных оптоэлектронных применений в широком диапазоне значений x.

В статье [40] сообщается о влиянии содержания Al и Ga (1%, 3%, 5%) на наноструктурные, структурные и оптические свойства тонких пленок

ZnO, выращенных методом распыления пиролиза. Анализ XRD показал, что нелегированная пленка ZnO имеет структуру вюрцита с предпочтительной ориентацией (002), а все легированные пленки являются поликристаллическими. Из оптических исследований толщина пленок, оцененных с использованием метода поточечной неограниченной минимизации, находилась в диапазоне от 310 до 400 нм. Коэффициент пропускания пленок (ZnO: Ga) был выше 90% в видимой области, тогда как для слоев (ZnO: Al) было выше 80%. Кроме того, в случае допированных пленок с увеличением содержания допинга наблюдался небольшой блеск-сдвиг при энергии зазора зон.


































19















































Рисунок 5

Также рентгеноструктурные исследования показали, что пленки, выращенные в оптимальных условиях, являются поликристаллическими

с предпочтительной (002) ориентацией. Эти результаты показали, что пиковая интенсивность (002) уменьшалась с увеличением концентрации легирования. Наблюдалось уменьшение кристаллического размера от

59,72 нм при 0 ат. % концентрации легирования галлия до 16, 134 нм для 5 ат.%. Из полученных результатов коэффициент пропускания в видимом диапазоне оказался выше 90% для (ZnO: Ga) и 80% для тонких


20

пленок (ZnO: Al). Оптическая ширина запрещенной зоны увеличивается от 3,3 эВ до 3,379 эВ для увеличения концентрации легирования галлия с 0,0 ат. % до 5,0 ат.%, а пленки с концентрацией алюминия 5 ат.% имели зазор между оптической энергией 3,393 эВ.


4 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ НА ПАВ

Свойства пьезоэлектрических резонаторов в значительной степениопределяются свойствами веществ, из которых они изготовлены; при этом главную роль играют упругие, диэлектрические

и пьезоэлектрические свойства. Существование пьезоэлектрического эффекта было обнаружено у большого количества веществ. Однако практическое применение получили лишь некоторые из них. Чтобы вещества можно было использовать, они должны представлять собой природные монокристаллы с достаточно большими бездефектными областями. Однако в последнее время преимущественное применение

получилиискусственноизготовляемыемонокристаллы,

поликристаллические пьезоэлектрические текстуры и тонкие пьезоэлектрические слои. Кроме того, вещества в кристаллическом виде должны обладать ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами, иметь малые потери из-за внутреннего трения при распространении объемных или поверхностных ультразвуковых волн, а их материальные константы должны отличаться высокой временной и температурной стабильностью. Несмотря на то что налажен промышленный выпуск целого ряда пьезоэлектрических веществ, продолжаются поиск и интенсивные исследования новых материалов с более выгодными параметрами.







21

4.1 Подложки с тонкими пьезоэлектрическими слоями

Современная технология получения тонких ориентированных пьезоэлектрических пленок позволяет проектировать и создавать частотные фильтры и другие элементы, использующие ПАВ, на пьезоэлектрических подложках либо на подложках с малым коэффициентом электромеханической связи, покрытых тонкой пьезоэлектрической пленкой. Преимуществом такого решения является главным образом дешевизна подложек при достижении требуемых от элемента свойств. В качестве тонкого пьезоэлектрического слоя в настоящее время, как правило, используют ZnO; в качестве подложек применяют стекло, кремний, сапфир, арсенид галлия и т. п. Для обеспечения желаемого эпитаксиального роста слоев ZnO используют многослойные системы. Так, например, на подложку из боросиликатного стекла методом реактивного напыления наносят ориентированный слой из AlN, на котором создают систему алюминиевых электродов, а затем методом магнетронного напыления формируют тонкий пьезоэлектрический слой ZnO [31, 34]. И хотя теоретическое обоснование распространения ПАВ в такой сложной системе представляется не простой задачей, на практике имеется возможность подобрать подходящую подложку и нанести тонкие слои так, чтобы можно было достичь высоких скоростей распространения ПАВ или иных необходимых свойств[34].

4.2	Технология изготовления акустоэлектронных устройств

Помимо подложек, изготовленных из пьезоэлектрических материалов, в производстве элементов на ПАВ применяют также подложки из непьезоэлектрических материалов (либо из пьезоэлектрических с малым коэффициентом электромеханической связи), которые с целью возбуждения на них ПАВ покрывают тонким пьезоэлектрическим слоем

22

[34]. Существуют четыре варианта создания ВШП при использовании таких подложек (рис.6).
























Рисунок 6. Четыре варианта ВШП на непьезоэлектрической подложке с пьезоэлектрическим тонким слоем.

В первом случае на подложку наносят тонкий пьезоэлектрический слой,

а на него систему электродов (образующих ВШП) для возбуждения или детектирования ПАВ. Во втором случае систему электродов формируют непосредственно на непьезоэлектрической подложке, а затем уже создают тонкий пьезоэлектрический слой. В третьем варианте на непьезоэлектрическую подложку наносят сплошной тонкий слой металла, затем тонкий пьезоэлектрический слой и, наконец систему электродов. Четвертый вариант подобен предыдущему, только последовательность другая, а именно: сплошной тонкий металлический слой и система электродов меняются местами.

Поскольку подложка влияет на распространение ПАВ, она должна быть

изготовлена из материала, обладающего долговременной стабильностью, небольшим коэффициентом теплового расширения и малой температурной зависимостью скорости распространения ПАВ. К


23

таким материалам относятся сапфир, плавленый кварц, кремний и боросиликатное стекло. В соответствии с используемым тонким пьезоэлектрическим слоем пластина должна быть соответствующим образом ориентирована. В качестве тонкого пьезоэлектрического слоя чаще всего используют ZnO либо в поликристаллическом виде с ориентацией (0001), либо в монокристаллической форме с ориентацией (0001) или (1120). Толщина нанесенного пьезоэлектрического слоя составляет (10- 2-10-1) длины волны ПАВ. При толщине поликристаллического слоя ZnO порядка 0,03 длины волны ПАВ, нанесенного на боросиликатное стекло, достигнуты коэффициент электромеханической связи k2=0,006 и скорость распространения ПАВ v=3150 м/с. При толщине монокристаллического слоя ZnO порядка 0,1 длины волны ПАВ, нанесенного на сапфир, получены k2=0,001 и v=5200 м/с.

В тех случаях, когда требуется возбудить поверхностную акустическую волну в низкоомном кремнии, обычно работают с встречно-штыревым преобразователем на верхней поверхности слоя ZnO и заземленным электродом под слоем. Как будет показано, эпитаксиальное выращивание пьезоэлектрического кристалла должно производиться при высокой температуре, когда кремний диффундирует в пьезоэлектрик и, наоборот, пьезоэлектрик диффундирует в кремниевую подложку. По этой причине обычно используются пьезоэлектрические материалы, которые можно наносить путем распыления. В связи с этим,

как правило, выбирают CdS или ZnO, причем последний легче воспроизводить в виде высокоомного материала, кроме того, он имеет более высокий коэффициент электромеханической связи.






24

В cтатье [35] разработаны устройства на основе ZnO на кремниевой подложке в соответствии с конфигурацией, приведенной на рис.6 (г). На верхнюю поверхность кремния наносили весьма толстый слой SiO2, на котором располагались необходимые преобразователи, а затем уже напылялся слой ZnO. Однако при этом следует помнить, что в

акустоэлектронных устройствах должно осуществляться взаимодействие акустической поверхностной волны с кремнием и поэтому слой SiO2 должен быть сравнительно тонким. Кроме того, если слой ZnO наносится на участке вдоль пути распространения акустической волны, желательно, чтобы толщина этого слоя была небольшой, поскольку акустические потери в ZnO довольно высоки. В этом случае основная часть энергии акустической волны находится в кремниевой подложке, а не в слое ZnO.



5 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ZnMgAlO

5.1 Импульсное лазерное напыление пленок ZnO:Mg, Al

Импульсное лазерное напыление (ИЛН) – это процесс, в котором используется лазерное излучение для «выбивания» многокомпонентных материалов из поверхностных слоев и их нанесения на подложку с образованием стехиометрических моно- и многослойных покрытий с особыми свойствами.

    В настоящее время технология ИЛН вызывает большой интерес в таких отраслях, как микроэлектроника, микро и нанофотоника, так как получение высококачественных пленочных структур является приоритетной задачей в этих областях. Метод импульсного лазерного напыления является более дешевым по сравнению с методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Были получены тонкие пленки

25

металлов и полупроводников нанометровой толщины, которые по качеству не уступают пленкам, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Технология	ИЛН	позволяет	получать	пленки	разных	составов:

различные окислы (оксиды), нитриды, карбиды, полимеры, фуллерены

и композиции металлов. Управление режимами импульсов делает возможным изготовление сложных композиций материалов с различными свойствами.

    Метод импульсного лазерного напыления относится к группе методов физического осаждения из газовой фазы. Взаимодействие высокоэнергетического лазерного импульса с материалом мишени приводит к образованию целого ряда продуктов, среди которых присутствуют не только электроны, ионы и нейтральные частицы, но и твердые микрочастицы материала мишени, отрывающиеся при взрывообразном испарении материала. Траектория дальнейшего движения этих частиц и их распределение по энергиям существенно зависят не только от интенсивности, продолжительности и частоты лазерных импульсов, но и от давления в рабочей камере. Проведение лазерной абляции в глубоком вакууме приводит к образованию узкого факела продуктов, в котором велика доля заряженных частиц, а при образовании пленки в этих условиях велика роль процессов вторичного

распыления конденсата высокоэнергетическими заряженными частицами.

    Напротив, при повышении давления в камере облако продуктов абляции состоит преимущественно из нейтральных частиц и приближается по свойствам к пару низкого давления.







26

    Особенности взаимодействия лазерного излучения с веществом создают уникальные возможности для напыления тонкопленочных структур. Схема лазерной напылительной установки и ее основные узлы изображены на рис.7 .

а)







































б)




















27

Рисунок 7. Схема импульсного лазерного напыления (а), Основные узлы вакуумной установки СL103 (б). 1 – вакуумная камера, 2 – высоковакуумный вакуумметр, 3 – турбомолекулярный насос, 4 - виброизолирующий стол, 5 – блок управления виброизолирующим столом, 6 – форвакуумный насос, 7 – блок питания вакуумметров, 8 – контроллер турбомолекулярного насоса (ТМН контроллер) (б)


    В простейшем случае в вакуумном объеме размещены мишени и подложка, на поверхность которой осаждается вещество, испаренное лазером. Режим лазерного воздействия и геометрия установки определяются поставленной задачей — осаждением за один микровзрыв мономолекулярных слоев материала. Оптимальными являются значения

длительности лазерного импульса ~10-8с. и концентрация мощности излучения на мишени ~109 Вт/см2.

    В начале лазерного импульса происходит разогрев мишени и испарение небольшой дозы вещества. Степень ионизации газа увеличивается с ростом температуры, при этом растет и коэффициент поглощения проходящего через него излучения.

    В некоторый момент наступает тепловой пробой, пар полностью ионизуется и поглощение в нем резко возрастает.

    В дальнейшем только малая часть излучения будет доходить до мишени, а основная энергия импульса пойдет на разогрев плазменного облака. К концу лазерного импульса испаренным оказывается приповерхностный слой мишени толщиной ~0,1 мкм, а над облученной областью формируется плотный плазменный сгусток, нагретый до температуры T~10 эВ.





28

    Затем плазма разлетается в вакуум. Ее температура, то есть энергия хаотического движения, падает, в то же время вследствие газодинамического и электростатического разгона растет кинетическая энергия ионов. На некотором расстоянии от мишени плотность плазмы уменьшается настолько, что столкновения частиц практически прекращаются, и наступает стадия инерциального разлета. К этому времени формируется диаграмма разлета испаренного вещества, максимум которой совпадает с нормалью к поверхности мишени. Впереди летят самые быстрые ионы с энергией Е>1000 эВ, а замыкают движение наиболее медленные частицы - в основном нейтральные атомы с энергией Е<1 эВ. Взаимодействие этого потока с по.......................