Спосіб виготовлення гетерошарів оксиду цинку

Корисна модель відноситься до технології виготовлення напівпровідникових матеріалів, зокрема, широкозонних II-VI сполук. Серед широкозонних II-VI сполук оксид цинку є одним з найбільш перспективних матеріалів короткохвильової області оптоелектроніки [1]. Це зумовлено високими ефективністю крайової люмінесценції та фоточутливістю, наявністю лазерного, електрооптичного та п'єзоелектричного ефектів. Крім того оксид цинку має великий коефіцієнт електромеханічного зв'язку, а також одну з найбільших температур Кюрі серед напівпровідників з магнітними домішками [2]. У зв'язку з цим в останні роки поруч з розробкою методів отримання об'ємних кристалів ZnO інтенсивно розвиваються технології створення тонких шарів даної сполуки. Для цього зазвичай використовують різні варіанти епітаксійного вирощування, катодного та магнетронного розпилення, а також хімічного транспорту [1, 2]. Кожен з цих методів має свої особливості та достоїнства, а об'єднують їх відносно високі вартість і складність. Усунення зазначених недоліків вимагає розробки більш простих відтворюваних технологій створення шарів оксиду цинку. Найбільш близьким є спосіб, який включає підготовку підкладинок халькогенідів цинку, зокрема, ZnS та їх відпал [2]. При підготовці базові монокристалічні пластинки кубічного (b) та гексагонального (a) сульфіду цинку орієнтувались відповідно у кристалографічних площинах (111) та (0001) і проходили поетапне механічне і хімічне полірування. Вирощування гетерошарів ZnO відбувалось шляхом відпалу базових підкладинок b- і a- ZnS в активованій (атомарній) парі кисню. Технологічне устаткування являє собою кварцову ампулу, в якій розміщена підкладинка, а молекулярний кисень О2 поступає в ампулу через натікач, що дозволяє регулювати тиск кисню. Активація молекул О2 відбувалась у плазмі, яка створювалась за допомогою ультрависокочастотного розряду. Температура у зоні росту (місцезнаходження підкладинки) задається резистивним нагрівачем і може змінюватись у діапазоні 750-1100°С. У результаті описаної технології автори отримали гетерошари ZnO товщиною 0,01100мкм, яка визначалась температурою Та і часом ta відпалу. Задача даної корисної моделі - спрощення технології виготовлення гетерошарів оксиду цинку за рахунок виключення операцій орієнтації базових підкладинок і активації молекул кисню. Поставлена задача вирішується тим, що у способі виготовлення гетерошарів оксиду цинку згідно запропонованого рішення підготовка підкладинок здійснюється шляхом механічної та хімічної обробок, а їх відпал проводять на повітрі. При цьому відпал підкладинок ZnTe проводять при температурах 650-850°С, підкладинок ZnSe - 850-1050°С, а підкладинок ZnS - 950-1150°С. Фіг.1. підтверджує утворення гетерошарів на підкладинках ZnSe. Підготовка підкладинок не потребує їх кристалографічної орієнтації, оскільки при відпалі утворення гетерошарів відбувається одночасно на всіх гранях підкладинки, що підтверджується ідентичністю спектрів оптичного відбивання. Апробація запропонованого способу проводилась на підкладинках халькогенідів цинку типорозміром 4х4х1мм3. Вони вирізаються з об'ємних кристалів ZnTe, ZnSe і ZnS кубічної модифікації без спеціальної кристалографічної орієнтації. Підкладинки проходять поетапні механічне та хімічне полірування у хромовому травнику(С2O3: НСl=2:3), а також ретельну відмивку в деіонізованій воді і фінішну сушку. Якість обробки поверхні пластинок контролювалась візуально по появі об'ємної фотолюмінісценції, яка збуджувалась N2 - лазером з l m»0,337мкм. Гетерошари ZnO створювались ізотермічним відпалом підкладинок халькогенідів цинку на повітрі. Процес проводився у відкритій високотемпературній печі, температуру якої можна змінювати у межах 4001200°С. Наші дослідження показали, що у результаті відпалу на поверхні підкладинок утворюється нова хімічна сполука з іншою ніж у підкладинки шириною забороненої зони Eg. Остання визначалась із диференціальних спектрів оптичного відбивання R'w , причому величина Eg відповідає мінімуму hw min на кривих R'w . Було помічено, що ширина забороненої зони гетерошару залежить від температури відпалу Т а, що ілюструється Фіг.1 на прикладі підкладинок селеніду цинку. З наведених даних видно, що починаючи з певної температури відпалу (яку можна min умовно вважати мінімальною Ta ) положення hw min перестає залежати від Та. При цьому hw min»3,2еВ і узгоджується з шириною забороненої зони ZnO(Eg=3,2 3,3еВ при 300К [1]). Це свідчить про повне заміщення min (яка для селеніду цинку атомів селену атомами кисню і про утворення бінарної сполуки ZnO. Нижче Ta виявилась рівною - 850°С) утворюються шари твердих розчинів ZnSe1-xOx з відповідною шириною забороненої зони, Фіг.1. Аналогічні результати отриманні також при аналізі залежностей Eg(Ta.) для гетерошарів створених на min для них виявились іншими. підкладинках ZnTe ZnS, однак, Ta Звернемо увагу на те, що для кожного матеріалу підкладинки існує також верхня межа температури відпалу, max . При перевищенні Tmax виготовленні гетерошари ZnO мають поверхневі яка позначена символом Ta a тріщини, які можуть роз повсюджуватись на підкладинку і приводити до її руйнації. У зв'язку з викладе ним вище для кожної з використовуваних підкладинок халькогенідів цинку існує визначений інтервал температур min - Tmax , межі якого наведено у таблиці. Ta a Таблиця Підкладинка ZnTe ZnSe ZnS min Ta ,°C max ,°C Ta Eg, еВ 650 850 950 850 1050 1150 3,2 3,2 3,2 Зазначимо, що оскільки процес заміщення носить дифузійний характер, то це не потребує кристалографічної орієнтації підкладинок, що підтверджується експериментально. Виявлено, що шари одночасно утворюються на всіх шести гранях підкладинки, а їх спектри оптичного відбивання ідентичні. Натомість товщина d отриманих шарів визначається не лише температурою, але й часом відпалу ta, зростаючи при їх збільшенні. min для всіх Експериментально було встановлено, що коли час відпалу перевищує 1хв, при Ta ³ Ta використовуваних підкладинок величина d складає декілька мікрометрів. Звернемо також увагу на те, що величина Eg визначається лише Та і абсолютно не залежить від ta. З викладеного випливає, що запропонований спосіб приводить до значного спрощення технології виготовлення шарів ZnO порівняно з відомими методами їх створення. Зазначимо також, що залишкові атоми халькогенів (Те, Se і S) базових підкладинок у гетерошарах ZnO відіграють роль ізовалентних домішок. Останні мають забезпечити високі температурну та радіаційну стійкість їх фізичних параметрів і характеристик [3]. Робота частково підтримана грантом УНТЦ №3098 Джерела інформації 1. Ozgur U., Alivov Ya. I., Liu C. at al. A comprehensive review of ZnO materials and devices//1. Apple. Phys., 2005, V.98. P.1-103. 2. Бутхузи Т.В., Георгобиани А.Н., Зада-Углы Е. и др. Люминесценция монокристаллических слоев окиси цинка n- и р-типа проводимости // Труды ФИ-АН, 1987,Т.182, С.140-187. 3. В.Д. Рыжиков. Сцинтилляционные кристаллы полупроводниковых соединений А 2B6. Получение, свойства, применение. - М.: НИИТЭХИМ, 1989, 125с.