Способ выращивания слоев сложных оксидных соединений
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ fКНТ СССР (21) 4753648/26 (22) 30.10.89 (46) 15.09,92, Бюл. ¹ 34 (71) Физико-технический институт им.
А, cD, Иоффе (72) А.Ю,Егоров, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов, М,В,Максимов и В.В,Мамутин (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1689446, кл. С 30 В 23/02, 29/22, 17.07.89. (54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЕВ
СЛОЖНЫХ ОКСИДНЫХ СОЕДИНFHÈÉ (57) Изобретение относится к технологии твердотельных материалов и может быть использовано в электронике, оптике, Цель изобретения — получение оксид-фторидов и расширение круга выращиваемых сложных оксидов, Способ включает одновременное
Изобретение относится к технологии твердотельных материалов и может быть использовано для изготовления приборных структур твердотельной электроники, оптоэлектроники и оптики, Цель изобретения — получение оксидфторидов и расширение круга выращиваемых сложных оксидов.
Введение молекулярных пучков молекулярно-испаряющихся оксидов или оксидов и фторидов одновременно с атомными и молекулярными пучками отдельных элементов создает условия для протекания реакции замещения и кристаллизации на поверхности.
Выбор в качестве исходных пучков молекулярно-испаряющихся оксидов или оксидов и фторидов обуслолвен тем, что сила
„„5U„„1761824 А1
365-570 С подложку, причем плотность потока атомов или молекул отдельного элемента (1) устанавливается из условия: I 5 0lp, где Ip — плотность потока частиц, соответствующая равновесному давлению паров (Рр) данного элемента при температуре. равной температуре подложки (T)lp=Pp< (2mKT), где m — мас-; Т вЂ” абсо-1/2 лютная температура; К вЂ” постоянная Больцмана; 0 — коэффициент, характеризующий степень инертности растущего оксида или оксид-фторида по отношению к данному элементу, 0>1. химических связей между атомами фтора или кислорода и атомами металла в таких молекулах велика и в кристалле эти связи замкнуты друг на друга. Концентрация оборванных связей на поверхности мала. Это приводит к тому, что атомы и молекулы отдельных элементов, адсорбирующиеся на поверхности, имеют ограниченную возможность встроиться в кристаллическую решетку и переиспаряются с поверхности. Если в качестве исходных брать пучки сложных молекул, но не оксидов или оксидов и фторидов, данный эффект не наблюдается и получить монокристаллические слои сложных многокомпонентных оксидов или оксид-фторидов с наперед заданным составом не удается. 1761824 Плотность потока атомов или молекул отдельного элемента на подложку (I) устанавливают из условия; где lp -- плотность потока частиц, соответствующая равновесному давлению паров (Pp) данного элемента при температуре, равной тем-iepa Type подложи (Т) 10 I pp--P p(2mKT) где m — масса -; Т вЂ” температура подложки; К вЂ” постоянная Больцмана; Q — 15 коэффициент, характеризующий степень инертности поверхности растущего слоя по отношению к данному элементу, 20 О»1. Коэффициент Q определяют следующим образом, Если поток атомов металлов на поверхность роста отсутствует, то на подложке вырастают монокристаллические 25 слои ВаО. Ilo мере увеличения потока атомов металлов первоначально пленки остаются окисными, т.е.на поверхности роста идет активное замещение атомов Ва на атомы Си и Yb. Избыточные атомы меди при 30 этом переиспаряются с поверхности, Атомов кислорода в слоях больше, чем атомов металлов, эффективный коэффициент прилипания меди меньше единицы, При дальнейшем увеличении потока меди при 35 фиксированном потоке ВаО рост окисла срывается и образуется смесь интерметаллических фаз с окислами либо просто смесь интерметаллических фаз. Таким образом существует предельный поток 1 =Qlp атомов 40 меди, при котором начинается образование металлических фаз. Величина Q равна отношению этого потока 1 к потоку1р, 45 Q = — г с Аналогично определяется величина 0 для иттербия (или любого другого отдельного элемента), В случае выращивания фтори- 50 да или сложного оксид-фторида величиы Q для отдельных элементов определяются точно так же. В предложенном способе возможно варьирование интенсивностью потоков час- 55 тиц отдельных элементов при эпитаксии в широких пределах, а не только в пределах, соответствующих значениям Q<1, что выражается в возможности получения соединений широкого диапазона составов вплоть до практически полного замещения исходных атомов металлов в молекулах оксидов или фторидав. В случае когда потоки элементов превышают величину Q (р, на поверхности образуются паразитные фазы отдельных элементов. Способ осуществляли следующим образом Слои выращивались в установке молекулярно-пучковой эпитаксии двухкамерного типа производства ФТИ АН СССР на подложках GaAs (100). Интенсивности потоков изменялись при изменении температуры эффузионных ячеек и калибровались по толщине слоев. Для калибровки потоков атомов металлов слои металлов напылялись íà холодную подложку, часть поверхности подложки маскировалась. После выращивания измерялась толщина слоев в электронном или интерференционном микроскопе, Интенсивности потоков молекул ВаО и BaFz калибровались по толщине эпитаксиальных монокристаллических слоев ВаО и BaFz, выращенных при температуре подложки 400600 С, Интенсивности потоков рассчитывались из измеренной толщины слоев и их плотности. B процессе выращивания интенсивность потоков атомов и молекул контролировалась масс-спектрометром BalzerzQMa 140. Все слои выращивались на подложках GaAs(100), прошедших химическую очистку, травление и пасси вацию поверхности слоем естественного окисла, который удалялся в вакуумной камере при нагреве подложки до 600 С. Удаление окисла контролировалось по картине дифракции быстрых электронов— по появлению точечной картины дифракции, переходящей в картину с дифракционными полосами, что свидетельствовало об образовании атомно-гладкой бездефектной поверхности. Затем, при температуре 600 C на поверхности GaAs выращивался слой BaFz толщиной 100-1000 А. Четко выраженная точечная картина дифракции свидетельствовала о монокристалличности выращенной пленки. На слое фторида осуществлялось выращивание слоев, Определение химического состава выращенных слоев осуществлялось на установке САМ Е ВАХ MI CROB EAM рентгеновском микроанализаторе (Франция). Состав определялся по характеристическому рентгеновскому излучению, возбуждаемому электронным пучком, Погрешность измерения состава для толщин 1761824 слоев > 0,6 мкм составляет (5%. Таким образом, полученные ниже составы даны с относительной г огрешностью 5%. Точечная картина дифракции, или картина с дифракционными полосами свиде- 5 тел ьствовали о монокристалличности слоев. Все выращенные пленки имели толщины 0,6-0,8 мкм. Пример 1. Выращивание сложного 10 оксид-фторида. Для выращивания сложного оксид-фторида температура подложки была выбрана равной 653 К. Выращивание осуществлялось из эффу- 15 зио;- ных ячеек, содержащих фторид бария {Тваг2=1120 С), медь {Tcu=1210 С) и окись бария {TBao=1050 С). Поток молекулр ВаР2 составил FBaF2=7,6 10 см с, поток ато15 -2 -1 мов меди Fcu=4 2 10 см с, поток моле- 20 кул ВаО Fpao=7.10 см с . Для меди Ip-1 10 см ", à Q=9,6 10 Скорость роста составила 1,5 мкм/ч. Хилческий состав выращенной монокристаллической пленки определяется формулой 25 За Со1РзОо,2. Пример 2. Выращивание сложного окслда Ва1СцзОз.з. Температура подложки была выбрана равной 843 К. Температура ячейки ВаО была 30 выбрана равной 1130ОС, что обеспечивает по1014 -2 -1 ки меди 1 I 60 С, соответственно поток атомов меди Fcu-1,5 10 см с . Для меди lp=9 10 см с, Q=1,2 10>. 35 Скорость роста составила 0,5 мкм/ч, Химический состав выращенной монокристаллической пленки определяется формулой Ва1СозОз,з. Пример 3. Выращивание сложного 40 оксид-фторида. Температура подложки была выбрана равной 380 С. Температуры ячеек и потоки составили: ! уЬ=370 С, Flub=2,4.10 СМ С, TBaF2=1145ОС 45 FBaF2=9,4 10 см с, Tcu=1155 С. Fcu=1,4 10 -2 -1 о 13 -3 м с, Твао=1050 С, FBao=7 10 см . Поток кислорода лз натекателя Fp2=4-10 см с . Для меди Ip=1-10 см .с Q=9,6 10 для иттер9 -2 -1, 12, бия р=4,5 10 см .с Q=7,3.10 Скорость роста составила 1 мкм/ч. Химический состав выращенной монокристаллической пленки пределяется формулой Y b1В аз С и1Р5,90з. Пример 4. Выращивание фазы "1-2-3", ",оответствуюшей высокотемпературному .,:архпроводнику. а). Температура подложки была выбрана равной 843 К. Температуры ячеек и потоки составили; Туь=350 С, Ечь=4,9 " 10 см ° с1, TBao=1200 С. нBao=1 8 10 сM с Tcu=1165 С, Fcu=1,6-10 см с . Скорость роста составила 0,6 мкм/ч, Для меди р=9 10 см .с, 0=1,2-10, Для иттербия lp=9.10 см -с, Q=3-4-10, Химический состав выращенной монокристаллической пленки определяется формулой Yb1Âà2ÑUç05,8. б) Температура подложки была выбрана равной 638 К. Температур" ячеек и потоки составили; Туь=355 С, Еуь=1,4 10 см .с Твао=1300 С, F Bao=4, 1 . 1 0 с м .с", Тс =1140 С, Fcu=9,2 10 см с, Fo2=3,6". 10 см .с . Для меди (р 240 см с, 0=9,6 х10 . Для иттербия !р=2,6-10 см.с Q=8,1 10, Скорость выращивания составила 0,8 мкм/ч. Химический состав выращенной монокрлсталлической пленки соответствовал У Ь1В а2С из 07. Таким образом, предложенный способ получения сложных многокомпонентых соединений с заранее заданными свойствами позволяет в едином цлкле получать монокристаллические слои оксидов или оксидфторидов наперед заданного состава. Использование таких соединений весьма перспективно в микроэлектронике, оптоэлектронике, оптике, сверхпроводниковой технике. Формула изобретения Способ выращивания слоев сложных оксидных соединений молекулярно-пучковой эпитаксией, включающий одновременное осаждение потоков молекул оксидов на нагретую подложку, отличающийся тем, что, с целью получения оксид-фторидов и расширения круга выращиваемых сложных оксидов, используют дополнительные потоки молекул фторидов и молекул или атомов отдельных элементов соединения, плотности потоков этих элементов выбирают из соотношения 5 Q Рр{2гпКТ) где — плотность потока атомов или молекул отдельного элемента соединения; Pp — равновесное давление паров этого элемента при температуре подложки; m — масса элемента; Т вЂ” температура подложки, К; К вЂ” постоянная Больцмана; 0 — коэффициент инертности растущего слоя по отношению к этому элементу, Q>1, а осаждение ведут при температуре подложки 638-843 К.
