Сверхрешетки

71

1.Одномерные (композиционные) сверхрешетки, которые синтезируются при малых несоответствиях и толщинах слоев, меньше критических для введения ДН.

2.Двумерные (дислокационные) сверхрешетки, при больших несоответствиях и толщинах слоев, больше критических для введения ДН.

3.Трехмерные (дислокационно-композиционные), которые являются комбинацией первых двух.

Выводы:

1.Исследования особенностей эпитаксиального роста халькогенидов иттербия на различных подложках показали, что их монокристальные слои получаются только на подложках кремния при температурах 1173 - 1223 К. При более низких температурах (~ 523 K) монокристаллические пленки халькогенидов РЗМ можно вырастить на монокристальных пленках халькогенидов свинца и олова благодаря реализации послойного механизма их роста друг на друге.

2.В многослойных структурах из халькогенидов свинца, олова, иттербия и европия при несоответствии параметров решеток слоев f > 2 % на (001) межфазной границе формируются ортогональные ряды краевых дислокаций несоответствия (ДН). Подбирая пары материалов с разной величиной несоответствия их параметров решеток (f = 13 - 2 %), можно изменять период ДН в широких пределах (DДН = 3.3 - 23 нм). Для ориентации (111) имеется возможность управления дислокационными структурами путем изменения степени вакуума. В этой ориентации сетки ДН получаются только при выращивании многослойных структур в сверхвысоком вакууме (Рост < 10-7 Па). Ухудшение вакуума (Рост > 10-6 Па) приводит к смене механизма роста от послойного к островковому, в результате чего вырастают монокристальные пленки халькогенидов без ДН на (111) межфазной границе.

3.На основе халькогенидных полупроводников реализованы три типа сверхрешеточных наноструктур:

72

∙Одномерные (композиционные) сверхрешетки, которые синтезируются при малых несоответствиях и толщинах слоев, меньше критических для введения ДН.

∙Двумерные (дислокационные) сверхрешетки, при больших несоответствиях и толщинах слоев, больше критических для введения ДН.

∙Трехмерные (дислокационно-композиционные) сверхрешетки, которые являются комбинацией первых двух.

73

РАЗДЕЛ 4 ВЗАИМОДИФФУЗИЯ В СВЕРХРЕШЕТКАХ [369-374]

Как отмечалось в предыдущих разделах, сверхрешетки (СР) открывают широкие возможности как для фундаментальных исследований в области физики полупроводников и диэлектриков [3-7], так и для создания новых функциональных элементов микроэлектроники, ИК-техники, термоэлектричества [24-27,30-39,63- 65]. Для таких структур со сверхтонкими слоями очень важное значение имеет состояние межфазных границ - их шероховатость, резкость перехода от одного слоя к другому, наличие и величина перемешанных зон, а также временная и температурная стабильность их структуры и свойств. Диффузионные процессы в таких сверхтонких слоях с большим градиентом концентраций элементов могут иметь свои особенности и отличия от массивного состояния [66-67]. Поэтому, исследования взаимодиффузии материалов слоев в СР имеет очень важное значение как в теоретическом так и в практическом аспектах. Однако, исследование таких наноразмерных структур связано со сложностями применения обычных методов изучения диффузионных характеристик, поскольку необходимо определять изменение состава в пределах нескольких атомных слоев. Но даже для одного из наиболее прецизионных методов - электронной оже-спектроскопии разрешающая способность по толщине составляет 3-5 нм, что может быть сравнимо с толщиной слоев СР. Но к счастью для периодических многослойных наноразмерных структур имеется возможность исследования процессов взаимодиффузии при помощи дифракции рентгеновских лучей. Как уже отмечалось ранее (см. раздел 1.4), дифракция рентгеновских лучей на СР дает набор периодических рефлексов (сверхрешеточных) как вблизи первичного пучка, так и у брэгговских отражений. Оказалось, что интенсивность (и количество) сверхрешеточных рефлексов очень чувствительны к изменению профиля сверхрешеточной структуры. Дж. Хиллиард [68-71] при исследовании процессов взаимодиффузии в периодических много-

74

слойных структурах определял эффективный коэффициент взаимодиффузии по изменению интенсивности сверхрешеточных рефлексов вблизи первичного пучка:

Следует отметить, что данный метод является очень чувствительным и позволяет определять очень маленькие коэффициенты диффузии (~10-20 см2/с). Однако при использовании данной методики следует учитывать, что интенсивность сверхрешеточного рефлекса может уменьшаться не только из-за перемешивания слоев, но и, например, при их реиспарении в процессе диффузионных отжигов. Данная методика это не учитывает, поскольку интенсивность сверхрешеточного рефлекса нормируется на первичный пучок. Этого недостатка лишена методика исследования процессов взаимодиффузии по изменению интенсивности рефлек- сов-сателлитов вблизи брэгговских отражений, что возможно для эпитаксиальных СР с монокристаллическими слоями. В этом случае интенсивность рефлексов-са- теллитов нормируется на интенсивность брэгговского рефлекса, а при испарении материалов слоев их интенсивности будут уменьшаться одновременно и в равной степени. Впервые такая методика была применена в работе [67], где использовалось следующее соотношение:

где Im – интенсивность m-го сателлита, нормированная на нулевой сателлит; t1 и t2

– моменты времени отжига; m – порядок сателлита; Н – период СР; D – коэффициент диффузии. Однако в работе [72] приведена несколько другая формула:

где k - фактор симметрии СР, зависящий от соотношения толщин ее слоев (h1 и

h2): k = h1/H.

Рассмотрим теперь изменение интенсивности рефлексов-сателлитов в процессе отжигов при сглаживании профиля СР. Амплитуда рассеивания рентГеновских лучей (G) кристаллом есть сумма амплитуд рассеяния по всем его элементарным ячейкам в трех измерениях. Пусть h*, k*, l* - координаты в обратном пространстве. Тогда амплитуда отражения, как функция положения в обратном пространстве будет[74]:

В кристалле со сверхрешеткой период решетки (или межплоскостное расстояние) в каком-то направлении (z) периодически меняется. Поскольку мы ищем амплитуду отражения суммированием по элементарным ячейкам, выразим это периодическое изменение как изменение положения ячеек. Пусть в направлении z межплоскостное расстояние синусоидально меняется от d - d до d + d с периодичностью H. Тогда положение j-ой элементарной ячейки в этом направлении будет:

будет интересовать только зависимость амплитуды от l*, поскольку только в этом направлении имеются особенности, связанные с СР. Из (4.14) и (4.12) получим:

77

Поскольку Н d/d2 << 1, можно разложить вторую экспоненту в (4.15) в ряд и ограничиться первыми двумя членами:

Здесь было использовано преобразование cos α =(eiα+e-iα)/2.

В нашем случае, когда изменение межплоскостного расстояния задается выражением (4.10), амплитуда рассеяния будет:

преобразований получим:

Второе и третье слагаемые в правой части приобретают максимальное значение при l* ± nd/H = u, где u – целое число. Это означает, что с каждой стороны от брэгговского пика (которому соответствует первый член суммы при целом l*), будет n сателлитов, где n – число не слишком малых коэффициентов Фурье в представлении профиля СР. Сглаживание профиля при диффузионном размытии приводит к быстрому уменьшению коэффициентов Фурье с большими номерами и исчезновению дальних сателлитов. Интенсивность сателлита пропорциональна

80

перемешивании материалов слоев исчезают последними. Более наглядно изменение интенсивности сателлитов видно на логарифмической зависимости их относительной интенсивности от времени отжига (Рис. 4.2).

Рис. 4.2. Изменение относительной интенсивности рефлексов-сателлитов первого (S1) и второго (S2) порядков отражения со временем отжига при температуре 623 К (а), 593 К (б) и 543 К (в) для асимметричной СР PbSe-PbS с периодом 20 нм.

Более того, данная зависимость позволяет проследить изменение коэффициента взаимодиффузии (D) со временем отжигов, поскольку наклон кривой пропорционален D (смотри выражение 4.22). Оказалось, что имеется два этапа диффузии: быстрая (на начальных этапах отжигов) и медленная.