РОЗДІЛ 2
ТЕХНОЛОГІЯ ВИРОЩУВАННЯ І АТОМНІ ДЕФЕКТИ
У ПЛІВКАХ PbS
У розділі описана технологія вирощування тонких плівок сполук AIVBVI із парової фази методом гарячої стінки. Приведено методику вимірювання електричних параметрів плівок.
Представлені результати експериментальних досліджень залежності електричних параметрів плівок від технологічних факторів вирощування у методі гарячої стінки. Результати досліджень пояснено на основі більш загальної моделі розупорядкування металічної підгратки за механізмом Френкеля з одночасним утворенням різних зарядових станів точкових дефектів - від електронейтральних до двократно заряджених вакансій і міжвузловинних атомів. Питання про переважаючі дефекти розв'язується при знаходженні концентрацій розглянутих дефектів в методі квазіхімічних реакцій в залежності від повноти врахування процесів взаємодій в електронній і дефектній підсистемах і значень відповідних констант рівноваги реакцій, визначених незалежно. Перевіркою результатів розрахунку моделі є співставлення отриманих теоретичних залежностей концентрацій носіїв струму від технологічних факторів вирощування плівок з експериментальними залежностями, які можна знайти, напр., за допомогою вимірювання ефекту Холла.
2.1. Вирощування плівок з парової фази методами гарячих стінок
Одержання тонких плівок AIVBVI з парової фази методами гарячих стінок детально описано у роботах [14, 56, 95]. Загальний вигляд технологічного оснащення і конструкція реактора для реалізації методу гарячої стінки показані на рис. 2.1. Основними елементами є випаровувальна комірка і тримач підкладок, вміщені у вакуумну камеру з залишковим тиском газів ?10-4 Па. В нижній частині комірки, виготовленої з кварцової трубки, знаходиться резервуар основного джерела випаровуючого матеріалу. Для управління складом пари вихідного матеріалу і, таким чином, електричними властивостями конденсату в процесі вирощування використовували додаткове джерело халькогену (металу), яке розміщене на одній осі з основним. Довжина кварцових трубок додаткового джерела вибиралась таким чином, щоб запобігти тепловому нагріву від основного реактора.
Рис. 2.1. Конструкція (а) і температурний профіль (б) випаровувальної комірки для одержання плівок AIVBVI методом гарячої стінки [56]:
1- нагрівники стінок камери, основного і додаткового джерел; 2 - кварцева камера; 3 - радіаційний екран; 4 - нагрівник підкладок; 5 - підкладка;
6 - маска; 7 - механічна заслінка; 8 - джерело основного матеріалу;
9 - легуюче джерело.
Систему забезпечують чотири незалежні нагрівники: реакторів для випаровування основного матеріалу (Тe) і лігатур (ТA), стінок камери (ТW) і підкладок (ТS). Конструктивно найбільш вдалими виявились нагрівники стрічкового і трубчатого типу із танталу. В якості неохолоджуваних струмопідводів для випарників використовувались стрічки ніхрому і танталу. Для зменшення втрат на теплове випромінювання використовували радіаційний екран з нержавіючої сталі. Потужність і робочі температури нагрівників становили:
- реактора основного випарника - NВ = 150 Вт і ТE = 300-1000 К;
- реактора додаткового джерела - NД = 50 Вт і ТA = 300-700 К;
- стінок випаровувальної камери - NC=200 Вт і ТW = 300-1100 К.
Тримач підкладок являє собою масивний диск з електрохімічної міді з вмонтованим стрічковим нагрівником із танталу. Передача тепла від нагрівника до диску відбувалась випромінюванням. Масивність нагрівника (диску) забезпечує хорошу стабілізацію температури підкладок на всіх етапах конденсації матеріалу. Нагрівник потужністю 30 Вт забезпечує робочі температури в діапазоні ТS = 400...800 К. Контроль температурних режимів вирощування плівок здійснювали за допомогою термопар "хромель-копель", ввімкнених до приладів ВРТ-2, що забезпечувало стабілізацію температур до 0,5...1,0 К.
Вихідним матеріалом при вирощуванні плівок служили синтезовані методом Бріджмена полікристалічні злитки монохалькогенідів свинцю заданого хімічного складу. Температурний режим основного реактора випаровувальної комірки задавався з аналізу Р-Т-х діаграми випаровуваного матеріалу [3, 4, 30]. Заслінка, розміщена між джерелом і тримачем підкладок, служила для встановлення часу напилення і запобігала попаданню частинок речовини на підкладку до встановлення вибраних температурних режимів. В якості орієнтованих підкладок, у більшості випадків, використовували сколи фтористого барію (111). Розколювання монокристалів проводили на повітрі безпосередньо перед закладкою їх в камеру. З метою запобігання конденсації пари матеріалу на шляху до підкладки температура стінок камери вибиралась завжди більшою на 50-100 градусів, ніж температура основного джерела.
2.2. Методика вимірювання електричних параметрів плівок
Основними характеристиками напівпровідників є тип провідності, питомий електричний опір, концентрація носіїв заряду, рухливість, коефіцієнт термо-е.р.с. i ефективна маса носіїв.
Ці величини для тонких плівок визначалися із вимірювань електропровідності, ефекту Холла, коефіцієнта Нернста-Еттiнгсгаузена, термо-е.р.с. i магнетоопору. Вимірювання проводилися в постійних електричних i магнітних полях за стандартною методикою на потенціометричній установці компенсаційного типу. Принципова електрична схема установки приведена на (рис. 2.2). Основними її частинами є: - потенціометр постійного струму Р 363-3 класу точності 0,005, з автокомпенсатором АК 6ПВ i стабілізатором напруги П36-1; - електромагніт постійного струму ФЛ-1 (Вmax=2,5 Т); - блоки живлення кіл потенціометра, магніту, нагрiвачiв; - системи перемикання, спостереження i контролю режимів роботи вузлів i блоків; - вимірювальна комірка для досліджуваних зразків.
Рис. 2.2. Принципова електрична схема установки для вимірювання електричних параметрів тонких плівок [56].
Тип провідності визначався звичайними методами: за знаком термо-е.р.с. i осцилографічними спостереженнями вольт-амперних характеристик (ВАХ). Диференціальна термо-е.