УДК 542.943:546.48'49'24

АНОМАЛИЯ СОСТАВА СОБСТВЕННОГО ОКИСЛА, ВЫРАЩЕННОГО
НА ПОВЕРХНОСТИ КРТ С РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ

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.

Эволюция спектров ЭСХА для теллурида по толщине слоя окисла:
а - для ориентации (100); б - для ориентации (110)
(Нумерация спектров 1-5 приведена от поверхности окисного слоя к подложке)

          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.

 

COMPOSITION ANOMALIES OF INTRINSIC OXIDE GROWN
ON DIFFERENT ORIENTATION CdHgTe SURFACE

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.

Содержание журнала "Прикладная физика" № 2, 1999 г.