ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК BA НА SI (111) И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

УДК 538.975

Д.В. Фомин, В.Л. Дубов, Д.А. Безбабный

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК BA НА SI (111) И ИССЛЕДОВАНИЕ

ИХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

В статье представлены результаты экспериментов по формированию тонких пленок бария на кремниевой подложке Si (111) 7x77 методом реактивной эпитаксии. Приведены оптические ИК-спектры полученных образцов. Исследована морфология их поверхности методом атомно-си-ловой микроскопии. Определена температурная граница, при которой формируются пленки с низкой шероховатостью.

FORMING OF THIN FILMS Ba ON Si (111) AND A RESEARCH OF OPTICAL PROPERTIES

The article presents the results of experiments on the formation of thin films of barium silicon substrate Si (111)7X7 by reactive epitaxy. Shows the optical IR spectra of the samples obtained. The morphology of the surface by atomic force microscopy. The temperature boundary at which the film is formed with a low roughness.

Введение

В настоящее время большое внимание уделяется совершенствованию альтернативных источников возобновляемой энергии. К ним относятся в первую очередь солнечные батареи. При их производстве в качестве материала для фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) используют кремний или его соединения, в некоторых случаях - арсенид галлия. Кремниевые ФЭП имеют невысокие КПД, но менее затратное изготовление, нежели чем при получении ФЭП из соединений галлия с мышьяком. Поэтому наиболее остро сейчас стоит вопрос об улучшении преобразовательных свойств ФЭП на основе кремния.

Анализ литературных данных показывает, что перспективным материалом для ФЭП нового поколения может стать дисилицид бария (BaSi2). Об этом свидетельствуют как теоретические [1], так и экспериментальные [2-5] работы. Ширина запрещенной зоны, оптимальная для фотопреобразователей и равная 1,3 эВ для BaSi2 отмечается в работах [1, 3, 4, 5]. В трудах [3] для пленки BaSi2 толщиной 250 нм определены концентрация и подвижность основных носителей заряда, равные 5-1015см3 и 820 см2/В-с соответственно. При этом край собственного поглощения составил 1,3 эВ и достиг максимума при 1,5 эВ. Для пленки толщиной 900 нм в работе [4] край собственного поглощения составил также 1,3 эВ, достигая максимума при 1,7 эВ. В [8] детально описывается рост пленок дисилицида бария методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Именно этот метод используется чаще всего.

Целью нашей работы являлось формирование пленок Вана Si (111) с меньшими толщинами, чем в указанных выше работах, а также исследование их оптических свойств в инфракрасной области и изучение морфологии поверхности.

Эксперимент

Для осаждения бария на кремний использовалась сверхвысоковакуумная камера прибора PHI-590 с базовым давлением 1-10"9 Торр. Осаждение велось из термического источника бария методом реактивной эпитаксии. Предварительно, подложка - пластина кремния Si (111), вырезанная из промышленной шайбы КДБ-45, - подвергалась стандартным процедурам высокотемпературной очистки. Калибровка скорости осаждения проводилась по кварцевому датчику и составила 0,1 нм/мин. Все пленки формировались в течение 200 мин. В результате были получены три образца: № 5 при температуре кремниевой подложки 800°С; № 6 - при T = 850°C; № 7 - при T = 900°C. Данные образцы исследовались методами оптической ИК спектроскопии и атомно-силовой микроскопии.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1 представлены спектры отражения, поглощения и пропускания сформированных пленок и чистой подложки Si (111) 7x7, полученные на ИК-спектрометре Vertex80v. Обработка данных была проведена в программе Origin из пакета программ фирмы OriginLabCorporation.

На ИК-спектрах отражения (см. рис.1,а) у образцов № 5 и 6 наблюдалось появление значительного обратного пика при энергии 0,1 эВ, в меньшей выраженный у образца №7 и отсутствующий у чистого кремния. Появление такого пика мы связываем с процессом силицидообразования сплошных пленок при температурах ниже 900°С. Очевидно, для указанной температуры подложки процесс десорбции атомов Ва с поверхности образца протекает более активно, что приводит к образованию пленки силицида бария, имеющей островковый характер (образец №7). Та же тенденция прослеживается и на спектрах поглощения (см. рис.1,б).

Спектры пропускания (см. рис.1,в) позволяют увидеть небольшое уширение пика у образца № 6 в районе энергии 0,1 эВ, что свидетельствует об имеющихся незначительных областях кремниевой подложки, не покрытых барием.

Для исследования морфологии поверхности полученных образцов мы использовали сканирующий зондовый микроскоп Solver P47. На рис. 2 представлены АСМ-картины для каждой из полученных пленок.

Анализ АСМ-изображений показал, что наше предположения относительно качества формируемой пленки в зависимости от температуры подложки, построенные по данным ИК-спектроскопии, оказались верными. Достаточно оценить, например, АСМ изображения образцов № 5 и 7 (см. рис.2, а, в). Поверхность последнего образца состоит из островков со средними размерами порядка 100 нм.

Дополнительно были проведены расчеты средней шероховатости (Ra) у полученных пленок. Так, для образца № 5 она составила Ra=15,14 нм, для образца № 6 - Ra=18,14 нм, для образца № 7 -Ra=36,65 нм.

Заключение

Таким образом, в данной работе нам удалось сформировать тонкие пленки Ва на Si( 111) 7x7 методом реактивной эпитаксии и определить зависимость механизма их роста от температуры подложки. Выяснено, что меньшей шероховатостью обладает пленка, полученная при температуре 800°C. Очевидно, что при формировании тонких пленок для дальнейшего их исследования уже как материала для ФЭП необходимо формировать их не выше указанной температуры. Данные исследования следует продолжить с использованием метода Холла для определения типа проводимости, концентрации и подвижности зарядов в полученных образцах.

Коэффициент отражения, усл.ед

♦образец №5 800 С -•-образец №6 850 С образец №7 900 С -*-Si(lll) 7x7

Коэффициент поглощения, ц усл.ед

образец №5 800 С образец №6 850 С образец №7 900 С 51(111)7x7

Коэффициент пропускания, усл.ед

-■-образец, №5 800 С -•-образец №6 850 С -¿-образец №7 900 С -w-Si(lll) 7x7

Рис. 1. Спектры тонких пленок, сформированных на 81 (111)7x7 при разных температурах: а) отражения; б) поглощения, пропускания.

Рис. 2. АСМ-изображения пленок силицида бария: а) образец № 5; б) образец № 6; в) образец № 7.

Работа выполнена при поддержке внутреннего гранта АмГУ.