УДК 542.943:546.48'49'24
З. И. Гусева, О. Н. Евсеева, Ю. С. Мезин
Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение "Орион",
Москва, Россия
В. Г. Средин
Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого,
Москва, Россия
Проведены исследования зависимости состава собственного окисла, выращенного на поверхности монокристаллов CdхHg1-хTe, от ориентации поверхностей кристаллов. Выполненный методом ЭСХА послойный анализ состава анодного окисла показал, что для плоскостей (111) и (100) состав окисла плавно изменяется от подложки к поверхности окисного слоя. В окисле же на поверхности (110) обнаружена прослойка неокисленного теллура. В работе обсуждается связь обнаруженных эффектов с физико-химическими свойствами поверхностей кристалла.
Свойства полупроводниковых приборов существенным образом зависят от качества
поверхностных диэлектрических слоев, которые во многих случаях по аналогии с
Si создают
путем окисления поверхности кристалла. Получаемые таким образом слои для сложных
полупроводников вследствие различной скорости окисления элементов, образующих кристалл,
представляют собой смесь разных по химическому составу окислов. Это приводит к сильной
зависимости физических свойств как самих окислов, так и границ раздела окисел-
полупроводник от технологии окисления и исходного состояния поверхности. Кроме того, для
некоторых полупроводниковых материалов поверхностные окислы неустойчивы из-за
химических реакций, протекающих в твердой фазе в самих слоях и при контакте с
поверхностью кристалла, в результате чего в окисле могут появиться либо элементы, из
которых образован полупроводник, либо их соединения. Более подробно эти вопросы
рассмотрены в работах [1, 2].
Ранее было показано, что у кристаллов твердого раствора CdхHg1-хTe, кристаллизующегося в
структуре сфалерита, существует определенная зависимость свойств поверхностных анодных
окислов от кристаллографической ориентации поверхности, на которую окислы нарощены [3].
Так, скорость роста окисла на поверхности (110) минимальна по сравнению с поверхностями с
ориентацией (100) и (111). Максимальное различие скоростей роста достигает 40 % для
ориентаций (111) и (110).
В данной работе предпринята попытка прямого сравнения химического состава анодных
окисных слоев, выращенных на ориентированных поверхностях монокристаллов твердых
растворов CdхHg1-хTe с составом
х = 0,19. Для исследований отбирались образцы с близкими
электрофизическими свойствами (дырочный тип проводимости с концентрацией носителей
порядка 8·1015 см-3 и подвижностью порядка
3·102 см2В-1с-1 при
77 К). По данным
рентгенографических измерений, ориентация плоскостей поверхности кристаллов совпадала с
кристаллографическими плоскостями (100), (110) и (111) с отклонением не более 6 град. Слои
окислов наращивались в строго идентичных условиях на предварительно протравленные в
стандартных химических травителях поверхности монокристаллов путем анодирования в 0,1 N
растворе КОН в этиленгликоле. Толщина всех окисных слоев составляла 110-130 нм.
Исследования состава окисла проводились методом ЭСХА в условиях сверхвысокого
вакуума (менее
10-9 мм рт. ст.) на двухкамерной установке МИКРОЛАБ МК II (фирма
"Вакуум Дженерейтос", Великобритания). Возбуждение характеристических электронов осуществлялось
рентгеновским излучением с энергией фотонов 1253,6 эВ (Mg анод). Для удаления
адсорбированных на воздухе примесей с поверхности анодного окисла образцы перед
исследованиями подвергались кратковременному травлению однократно ионизированными
атомами аргона с энергией 10 кэВ непосредственно в камере подготовки установки,
предварительно откачанной также до уровня менее 10-9 мм рт. ст. В процессе исследования
осуществлялось последовательное стравливание части окисного слоя ионами Аr+ с
последующей регистрацией спектров ЭСХА (шаг 0,25 эВ, энергия прохождения 10 эВ). Режим
ионного травления позволял зарегистрировать в пределах толщины слоя пять спектров.
Основные результаты измерений представлены на рисунке а, б.
В спектрах регистрировались линии, связанные с возбуждением фотоэлектронов основных
состояний ионов Cd, Hg и Те. Наибольший химический сдвиг, связанный с изменением
окружения иона, демонстрирует Те: ему соответствует линия состояния 3d5/2
с энергиями 576,1 эВ для Те+4 в окислах TeO2, CdTeO3
и HgTeO и 572,6 эВ для Те-2 в кристалле. Химические
сдвиги для катионов в данном материале очень малы и изменение окружения катионов в
окислах в сравнении с подложкой проявляется лишь в уширении линий Hg4f7/2
и Cd3d5/2 (с 1 до 1,5 эВ для Hg и с 1,2 до 1,5 эВ - для Cd).
В целом полученные нами результаты совпадают с данными работ [4, 5], однако
исследования изменения состава окислов по глубине позволили установить существование
определенного ориентационного эффекта. Как показали наши измерения, состав окислов на
поверхностях (111) и (100) монотонно изменяется от подложки до поверхности (см. рисунок, а),
в то время как в окисле, выращенном на поверхности (110), наблюдается выделение в середине
слоя неокисленного Те (см. рисунок, б, кривые 3 и 4).
Таким образом, наши измерения показали сходство состава анодных окислов поверхностей
(100) и (111) и отличие от них состава окисла поверхности (110), причем существует некоторая
корреляция между свойствами окислов и их составами.
Ранее в работе [3] обнаружена в два раза более высокая плотность встроенного
поверхностного заряда окисла на плоскости (110). Анализ формы вольт-фарадных
характеристик позволяет предположить, что встроенный заряд сконцентрирован в основном в
самом окисле и, следовательно, определяется свойствами окисла, а не поверхностными
состояниями кристалла.
Появление же неокисленного теллура в слое окисла может быть результатом различных
реакций в твердой фазе в силу разной степени нестабильности окисла на плоскостях различной
кристаллографической ориентации материала со структурой сфалерита. В этой структуре
кристаллографическая плоскость (110) является плоскостью спайности и имеет нулевую
поверхностную плотность электростатического заряда, что влияет на ее химическую
активность.
Плоскость же (111) полярна и построена из ионов одного типа, следствием чего является как
максимальная скорость роста кристаллов со структурой сфалерита именно в этом направлении,
что было обнаружено для многих материалов А2В6, так и максимальная скорость окисления
этой поверхности. Повышенная плотность встроенного в окисел заряда для поверхности (110),
по-видимому, коррелирует с наличием в слое обнаруженного нами включения фазы
неокисленного теллура.
Л и т е р а т у р а
1. H i l l C.//J. Vac. Sci. Technol. 1990. V. А8. N 2. P. 1778.
2. В о й ц е х о в с к и й А. В., Д а в ы д о в В. Н. Фотоэлектрические МДП-структуры из узкозонных
полупроводников. - Томк: Радио и связь, 1990. - 327 с.
3. С р е д и н В. Г., Л а н с к а я О. Г., Поповнин В. М.//Физика и техника полупроводников. 1996. Т. 30. N 3. С.
385.
4. W a g e r J., R h i g e r D. R.//J. Vac. Sci. Technol. 1985. V. A3. N 1. P 212.
5. А и г и н а Н. Р., Б е р ч е н к о Н. Н.//Зарубежная электронная техника. 1986. N 10 (305). С. 3.
Z. I. Guseva, O. N. Evseeva, Y. S. Mezin
The State Unitary Enterprise "RD&P Centre "Orion", Moscow, Russia
V. G. Sredin
Peter the Great Miliary Missile Academy, Moscow, Russia
Dependence of composition of instrinsic oxide grown on CdхHg1-хTe monocrystal surface on a crystal surface orientаtion was studied. One layers at a time analysis of the anode oxide composition made by ESXA method showed that for (111) and (100) surfaces an oxide composition changes smoothly from a substrate to a surface of the oxide layers. An interlayer of a non- oxidized tellurium was found on (110) in the oxide. Connection of discovered effects with physical and chemical features of crystal surfaces is discussed.