Спосіб отримання наноструктур ag2o на поверхні гетероепітаксійної плівки p-cdhgte

Реферат: Винахід належить до напівпровідникової оптоелектроніки. Cпосіб отримання наноструктур на поверхні гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe, де x=0,222-0,223, який включає радіаційне опромінення іонним пучком поверхні плівки з енергіями 50-150 кеВ і дозами імплантації (313 -2 7)∙10 см . При цьому поверхню опромінюють іонним пучком під кутом променя 45° до поверхні. Створення більш упорядкованих наноструктур Ag2O-p-CdxHg1-xTe дозволить використовувати функціональні властивості оксиду Ag2O (Eg=1,41 еВ) та CdHgTe (Eg=0,11 еВ) як основу для створення оптичних перетворювачів та НВЧ решіток. UA 112999 C2 (12) UA 112999 C2 UA 112999 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до напівпровідникової оптоелектроніки, безпосередньо до детекторів і сенсорів як у видимій, так і в інфрачервоній спектральній області. Створення упорядкованих наноструктур Ag2O-p-CdxHg1-xTe дозволить використовувати функціональні властивості оксиду Ag2O (Eg=1,41 еВ) та CdHgTe (Eg=0,11 еВ) як основу для створення оптичних перетворювачів та НВЧ решіток. Відомий спосіб [1] отримання напівпровідникової наноструктури на поверхні II VI напівпровідникової сполуки A B включає в себе осадження на пористій матриці першого напівпровідникового матеріалу, видалення пористої матриці, осадження другого напівпровідникового матеріалу на отриману структуру першого напівпровідникового матеріалу. Формування первинної, відносно до осаджених речовин, пористої матриці здійснюють шляхом анодного окислення до моменту отримання впорядковано розташованої структури нанопор. Перший і другий напівпровідникові матеріали осаджують термічним випаровуванням необхідних матеріалів у надвисокому вакуумі (при Т~800 °C). Технічним результатом відомого винаходу є формування нанокомпозитів та наноструктур на II VI поверхні напівпровідникової сполуки A B для функціональних елементів джерел світла, сонячних батарей, фотодетекторів з надвисокою (порядку 100 нм) просторовою роздільною здатністю [1]. Недоліком цього способу є складність процесу виготовлення, яка пов'язана з необхідністю використання високих температур Т~800 °C, при цьому випаровуються шкідливі речовини. Відомий спосіб отримання напівпровідникової наноструктури, який включає в себе вплив лазерним опроміненням [2] з використанням мультимодового лазера з модульованою добротністю Nd:YAG з довжиною хвилі λ=0,532 мкм та тривалістю імпульсу 15 нсек. та потужністю вільної генерації Р=1,0 МВт. Інтенсивність оптичної потужності від 4,0 до 12,0 2 МВт/см . Опромінення монокристалів потрійної напівпровідникової сполуки Cd0,9Zn0,1Te 2 неодимовим лазером з інтенсивностями нижче 4 МВт/см не змінюють морфології поверхні опромінених зразків. Генерація наноструктур на поверхні Cd0,9Zn0,1Te починається при 2 інтенсивностях 4 МВт/см . Максимальні зміни рельєфу поверхні зразків напівпровідника 2 відбуваються при опроміненні з інтенсивністю 12 МВт/см . При цьому спостерігається формування наноструктур у вигляді конусоподібних стовпчиків висотою 10 нм. Механізм цього процесу пояснюється виникненням при лазерному імпульсному опроміненні термоградієнтного ефекту [3]. Відбувається міграція атомів Zn в об'єм зразка Cd0,9Zn0,1Te в області з мінімальною температурою, а рух атомів Cd відбувається у протилежному напрямку - в область, де зразок має максимальні температури. Таким чином, на поверхні зразків після лазерного опромінення утворюються нові фази напівпровідникових з'єднань, а саме - CdTe та нижчого за ним шару ZnTe. За рахунок неспівпадіння параметрів кристалічних ґраток CdTe та ZnTe, яке становить 5,8 %, між ними виникають механічні напруження. Розвантаження механічних напружень відбувається за рахунок пластичної деформації. За рахунок такої релаксації механічної енергії відбувається процес створення наноструктур у вигляді наноконусів на опроміненій поверхні. Суттєвим недоліком цього методу створення наноструктур на поверхні напівпровідникової II VI сполуки A B є термічний фактор, викликаний нагріванням структури до 1010 °C, при цьому випаровуються шкідливі речовини, та виникають термічні деформації кристалічної ґратки, що II VI впливають на робочі характеристики приладів на основі сполук A B . За найближчий аналог вибрано спосіб створення на поверхні напівпровідникової сполуки II VІ А В наноструктур за допомогою радіаційного опромінення поверхні плівки сріблом з енергіями 13 -2 50-150 кеВ і дозами імплантації (3-7)∙10 см відповідно при кімнатній температурі [4]. Даний II VI спосіб обробки потрійної хімічної сполуки A B - зразків напівпровідникової гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe базується на утворенні в напівпровідникових гетероепітаксійних структурах при опроміненні іонами срібла деформаційних полів розтягнення, поява яких обумовлена відмінністю іонних радіусів атомів епішару та введеної домішки срібла. Поява радіаційних дефектів також спотворює кристалічну ґратку p-CdxHg1-xTe та, як наслідок, гетероструктура деформується після введення іонів срібла. Утворення однорідного масиву наноострівців відбувається за таким механізмом: внаслідок виникненням деформації розтягування приповерхневої області епітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe та, відповідно, деформації стискання більш глибших шарів, що спричиняє витягування на поверхню іонів срібла; внаслідок схильності срібла до створення твердих розчинів у p-CdxHg1-xTe при іонній імплантації; внаслідок виділення + Ag у вигляді наночасток у мішені. Недоліком найближчого аналога є неупорядкованість конусоподібних наноструктур в результаті розсіяння енергії іонного променя складним рельєфом поверхні. 1 UA 112999 C2 5 10 15 Задачею винаходу є створення більш упорядкованих наноструктур на поверхні гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe без термічної дії в безпечній атмосфері без шкідливих випарів. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб отримання наноструктур Ag2O на поверхні гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe, де x=0,222-0,223, який включає радіаційне опромінення іонним пучком поверхні плівки з енергіями 50-150 кеВ і дозами імплантації (313 -2 7)∙10 см відповідно та відрізняється тим, що поверхню опромінюють іонним пучком Ag під кутом променя 45° до поверхні. II VI Принцип, що закладено у даному способі обробки потрійної хімічної сполуки А В - зразків напівпровідникової гетероепітаксійної плівки р-CdxHg1-xTe, базується на утворенні в напівпровідникових гетероепітаксійних структурах при опроміненні іонами срібла деформаційних полів розтягнення, поява яких обумовлена відмінністю іонних радіусів атомів епішару та введеної домішки срібла. Поява радіаційних дефектів також спотворює кристалічну ґратку p-CdxHg1-xTe та, як наслідок, гетероструктура деформується після введення іонів срібла. Енергія та доза імплантації суттєво впливають на концентрацію та глибину домішки срібла у гетероепітаксійній плівці p-CdxHg1-xTe. Максимальну об'ємну концентрацію домішки можна визначити за співвідношенням: 2       1  z  Rp    C Cz   Cmax exp B  2  Rp         D , Cmax  2enRp 20 25 30 35 40 45 50 де D  enQ  4,8  10 6 Кл/см - доза імплантації, e - заряд електрона, Rp - проективний пробіг імплантованих атомів, Rp  0,125 мкм - страглінг, n - кратність заряду іона, CB - вихідна концентрація, Cmax - максимальна концентрація домішки. Величину механічних напружень, що створюються у плівці внаслідок введення імплантату, можна визначити із співвідношення [5]: 1  X   Y  2E VV C V  VC ,  де  X ,  Y , - компоненти нормальних напружень;  - атомний об'єм кристалічної ґратки; 2 VV та V - релаксаційний об'єм точкового дефекту та домішки відповідно; значення об'ємної та поверхневої концентрації CV та C відповідно. Величина коефіцієнта деформування (β) кристалічної ґратки р-CdxHg1-xTe від введеного імплантату, за результатами -31 3 рентгеноструктурних досліджень зразків складає для випадку срібла β = 3,51∙10 м . Таким чином, максимальні за величиною механічні напруження, що виникають у приповерхневому 5 шарі епітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe, складають σ=2,2∙10 Па. В результаті іонної імплантації іонами срібла гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe на поверхні утворився однорідний масив наноострівців у вигляді конусів. Утворення однорідного масиву наноострівців відбувається за таким механізмом: внаслідок виникненням деформації розтягування приповерхневої області епітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe та, відповідно, деформації стискання більш глибших шарів, що спричиняє витягуванню на поверхню іонів срібла; внаслідок схильності срібла до створення твердих розчинів у p-CdxHg1-xTe при іонній імплантації; + внаслідок виділення Ag у вигляді наночасток у мішені. Було проведено експериментальні дослідження гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-xTe (x=0,223) на підкладці CdZnTe, виготовлених методом рідиннофазної епітаксії, що піддавалися 13 низькоенергетичному опроміненню іонами срібла з енергією 140 кеВ та дозою імплантації 3∙10 -2 см при кімнатній температурі під кутами (40-90)° до опромінюваної поверхні. Експериментально встановлено, що зразки, які розташовувалися під кутом 45° до іонного променя, мають більш упорядковану наногетероархітектуру. На вихідній поверхні зразків було виявлено сітку квазіпор глибиною 3,5-10 нм і діаметром 50-160 нм, між порами - щільно впаковані зерна розміром від 40 до 80 нм в площині поверхні. В результаті опромінення під кутом 45° плівки p-CdxHg1-xTe, іонами опромінюється вся площа поверхні, не відбувається розсіяння енергії іонного променя складним рельєфом поверхні. Інші зразки, що мають інші кути опромінення, не мають упорядкованої наноструктури. Позитивний ефект від реалізації в наведеному прикладі створення упорядкованих наноструктур на поверхні гетероепітаксійної плівки p-CdxHg1-хТе на підкладці CdZnTe за 13 -2 допомогою іонної імплантації срібла з дозою 3∙10 см та енергією 140 кеВ під кутом 45° до поверхні можна пояснити тим, що запропонований спосіб має змогу отримати більш 2 UA 112999 C2 5 10 15 20 упорядкований характер конусоподібних наноструктур поверхні. Тому що визначений експериментально кут 45° опромінення іонним пучком поверхні перешкоджає розпиленню атомів по оброблюваній поверхні. На (Фіг. 1) АСМ зображення зразків, при імплантації іонами срібла при нормальному падінні (90°) а) профіль та б) зображення імплантованої структури. На (Фіг. 2) АСМ зображення зразків під кутом 45° до робочої поверхні в) профіль та г) зображення імплантованої структури. На фоні незначного розмиття границь зерен вихідної поверхні, але при збереженні її пористості, утворюється однорідний масив а), б) неупорядкованих в), г) більш упорядкованих конусоподібних наноострівців з висотами у межах 5-25 нм з діаметром основи 13-35 нм. Таким чином, запропонований спосіб, що заявляється, дає змогу отримати більш упорядкований характер конусоподібних наноструктур поверхні без термічної дії в безпечній атмосфері без шкідливих випарів. Джерела інформації: 1. Патент РФ № 2385835, Способ получения наноструктур полупроводника, МПК H01L21/20, Опубликовано 23.10.2008. 2. Medvid A., Mychko A., Gnatyuk V., Levytskyi S., Naseka Yu. Mechanism of nano-cone formation on Cd0,9Zn0,1Te crystal by laser radiation. Optical Materials 32, 836-839 (2010). 3. Kaupuzs J., Medvid' A. Distribution of impurity atoms over a crystal in nonhomogeneous temperature field. Proc. SPIE Conf. Microelec. Manuf. 2335/36, 134 (1994). 4. Патент України на корисну модель № 87886 від 25.02.14. Спосіб отримання наноструктур на поверхні гетероепітаксійної плівки CdxHg1-xTe. Офіційний бюлетень "Промислова власність" - 2014. - № 4. 5. Cerutti A. and Ghezzi C. X-Ray Observations of Induced Dislocations. Phys. Stat. Sol. (a) 17, 273 (1973). 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб отримання наноструктур Ag2O на поверхні гетероепітаксійної плівки р-CdxHg1-xTe, де x=0,222-0,223, який включає радіаційне опромінення іонним пучком Ag поверхні плівки з 13 -2 енергіями 50-150 кеВ і дозами імплантації (3-7)∙10 см , відповідно, який відрізняється тим, що поверхню опромінюють іонним пучком під кутом променя 45° до поверхні. 3 UA 112999 C2 4 UA 112999 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5