SU1761824A1 - Способ выращивани слоев сложных оксидных соединений - Google Patents

Description

1

(21)4753648/26

(22)30.10.89

(46) 15.09.92. Бюл. №34

(71)Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

(72)А.Ю.Егоров, П.С.Копьев, Н.Н.Леденцов, М.В.Максимов и В.В.Мамутин

(56)Авторское свидетельство СССР

№ 1689446, кл. СЗО В 23/02,29/22, 17.07.89.

(54) СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ СЛОЕВ СЛОЖНЫХ ОКСИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

(57)Изобретение относитс  к технологии твердотельных материалов и может быть использовано в электронике, оптике. Цель изобретени  - получение оксид-фторидов и расширение круга выращиваемых сложных оксидов. Способ включает одновременное

осаждение потоков молекул оксидов и/или фторидов, а так же атомов и молекул отдельных элементов, вход щих в состав выращиваемого соединени , на нагретую до 365-570°С подложку, причем плотность потока атомов или молекул отдельного элемента (I) устанавливаетс  из услови : I , где Ip - плотность потока частиц, соответствующа  равновесному давлению паров (Рр) данного элемента при температуре равной температуре подложки (T) (2тКТ) , где m - масса частицы, Т - абсолютна  температура; К - посто нна  Больц- мана; Q - коэффициент характеризующий степень инертности растущего оксида или оксид-фторида по отношению к данному элементу, .

СО

С

Изобретение относитс  к технологии твердотельных материалов и может быть использовано дл  изготовлени  приборных структур твердотельной электроники, опто- электроники и оптики.

Цель изобретени  - получение оксид- фторидов и расширение круга выращиваемых сложных оксидов.

Введение молекул рных пучков молеку- л рно-испар ющихс  оксидов или оксидов и фторидов одновременно с атомными и молекул рными пучками отдельных элементов создает услови  дл  протекани  реакции замещени  и кристаллизации на поверхности

Выбор в качестве исходных пучков молекул рно-испар ющихс  оксидов или оксидов и фторидов обуслолвен тем, что сила

химических св зей между атомами фтора или кислорода и атомами металла в таких молекулах велика и в кристалле эти св зи замкнуты друг на друга. Концентраци  оборванных св зей на поверхности мала. Это приводит к тому, что атомы и молекулы отдельных элементов, адсорбирующиес  на поверхности, имеют ограниченную возможность встроитьс  в кристаллическую решетку и переиспар ютс  с поверхности Если в качестве исходных брать пучки сложных молекул , но не оксидов или оксидов и фторидов , данный эффект не наблюдаетс  и получить монокристаллические слои сложных многокомпонентных оксидов или оксид-фторидов с наперед заданным составом не удаетс .

VJ

О

00

hO

Плотность потока атомов или молекул

отдельного элемента на подложку (I) устанавливают из услови :

i QIP,

где Ip - плотность потока частиц, соответствующа  равновесному давлению паров (Рр) данного элемента при температуре, равной температуре подложи (Т)

1Р--Рр(2глКТ)1/2,

где m - масса элемента; Т - температура подложки; К - посто нна  Болыдмана; Q - коэффициент, характеризующий степень инертности поверхности растущего сло  по отношению к данному элементу,

.

Коэффициент Q определ ют следующим образом. Если поток атомов металлов на поверхность роста отсутствует, то на подложке вырастают монокристаллические слои ВаО. По мере увеличени  потока атомов металлов первоначально пленки остаютс  окисными, т.е.на поверхности роста идет активное замещение атомов Ва на атомы Си и Yb. Избыточные атомы меди при этом переиспар ютс  с поверхности. Атомов кислорода в сло х больше, чем атомов металлов, эффективный коэффициент прилипани  меди меньше единицы. При дальнейшем увеличении потока меди при фиксированном потоке ВаО рост окисла срываетс  и образуетс  смесь интерметаллических фаз с окислами либо просто смесь интерметаллических фаз. Таким образом существует предельный поток атомов меди, при котором начинаетс  образование металлических фаз. Величина Q равна отношению этого потока Ic к потоку р;

Q р

Аналогично определ етс  величина Q дл  иттерби  (или любого другого отдельного элемента). В случае выращивани  фторида или сложного оксид-фторида величиы Q дл  отдельных элементов определ ютс  точно так же.

В предложенном способе возможно варьирование интенсивностью потоков частиц отдельных элементов при эпитаксии в широких пределах, а не только в пределах, соответствующих значени м , что выражаетс  в возможности получени  соединений широкого диапазона составов вплоть до практически полного замещени  исходных атомов металлов в молекулах оксидов или фторидов.

В случае когда потоки элементов превышают величину Q lp, на поверхности образуютс  паразитные фазы отдельных элементов.

Способ осуществл ли следующим образом

Слои выращивались в установке моле- кул рно-пучковой эпитаксии двухкамерного типа производства ФТИ АН СССР на подложках GaAs (100). Интенсивности потоков

измен лись при изменении температуры эффузионных  чеек и калибровались по тол- щинеслоев. Дл  калибровки потоковатомов металлов слои металлов напыл лись на холодную подложку, часть поверхности подложки маскировалась. После выращивани  измер лась толщина слоев в электронном или интерференционном микроскопе. Интенсивности потоков молекул ВаО и ВаР2 калибровались по толщине эпитаксиальных

монокристаллических слоев ВаО и BaF2, выращенных при температуре подложки 400- 600°С. Интенсивности потоков рассчитывались из измеренной толщины слоев и их плотности.

В процессе выращивани  интенсивность потоков атомов и молекул контролировалась масс-спектрометром BalzerzQMa 140. Все слои выращивались на подложках GaAs(100), прошедших химическую очистку,

травление и пассивацию поверхности слоем естественного окисла, который удал лс  в вакуумной камере при нагреве подложки до 600°С.

Удаление окисла контролировалось по

картине дифракции быстрых электронов - по по влению точечной картины дифракции , переход щей в картину с дифракционными полосами, что свидетельствовало об образовании атомно-гладкой бездефектной

поверхности. Затем, при температуре 600°С на поверхности GaAs выращивалс  слой ВаРа толщиной 100-1000 А. Четко выраженна  точечна  картина дифракции свидетельствовала о монокристалличности

выращенной пленки. На слое фторида осуществл лось выращивание слоев.

Определение химического состава выращенных слоев осуществл лось на установке САМЕВАХ MICROBEAM рентгеновском микроанализаторе (Франци ). Состав определ лс  по характеристическому рентгеновскому излучению, возбуждаемому электронным пучком. Погрешность измерени  состава дл  толщин

слоев 0,6 мкм составл ет 5%. Таким образом, полученные ниже составы даны с относительной погрешностью 5%.

Точечна  картина дифракции, или картина с дифракционными полосами свиде- тельствовали о монокристалличности слоев.

Все выращенные пленки имели толщины 0,6-0,8 мкм.

П р и м е р 1. Выращивание сложного оксид-фторида.

Дл  выращивани  сложного оксид-фторида температура подложки была выбрана равной 653 К.

Выращивание осуществл лось из эффу- зионных  чеек, содержащих фторид бари  (ТБаР2 1120°С), медь (Тси 1210°С) и окись бари  (Твао Ю50°С). Поток молекулр BaFa составил РваР2 7,6 1014-см 2с 1, поток атомов меди ,2 1015 , поток молекул ВаО РвзО 7-1013 . Дл  меди 109см 2 с , а ,6 1012.

Скорость роста составила 1,5 мкм/ч. Химический состав выращенной монокристаллической пленки определ етс  формулой

3aiCuiFsOo,2.

П р и м е р 2. Выращивание сложного оксида ВатСизОзз.

Температура подложки была выбрана равной 843 К. Температура  чейки ВаО была выбрана равной 1130°С, что обеспечивает поток ,1- Ю14 . Температура  чейки меди 1160°С, соответственно поток атомов медиРси-1,5- 1015см 2с 1.Дл меди1р 9 108 , ,.

Скорость роста составила 0,5 мкм/ч. Химический состав выращенной монокристаллической пленки определ етс  формулой

Вз1СизОз,з.

П р и м е р 3. Выращивание сложного оксид-фторида.

Температура подложки была выбрана равной 380°С.

Температуры  чеек и потоки составили:

Гуь 370°С, ,4-1014см с

-2„-1

i14

ТваР2 1145°С.

. Tcu 1155°C. ,4-1015

FBaf2 9,410 CM t, , I ,-u . i 1,-т , TBaO 1050°C, FBaO 7-1013 ПОТОК

кислорода из натекател  см с . Дл  меди 1р 1-109 ,6-1012 дл  иттерби  ,5-1016см 2с1: ,3-105

Скорость роста составила 1 мкм/ч. Химический состав выращенной монокристаллической пленки предел етс  формулой

YbiBasCuiFe.gOa.

П р и ме р4. Выращивание фазы 1-2-3, соответствующей высокотемпературному .порхтфоводнику.

а). Температура подложки была выбрана равной 843 К.

Температуры  чеек и потоки составили: Туь 350°С, ,9 - 1013

ТваО 1200°С, 10

14

Тси 1165°С, ,6 10la .-Скорость роста составила 0,6 мкм/ч. Дл  меди 108см 2с 1,,2-107. Дл  иттерби  1Р 9-1018

см

,О 3-4-102.

Химический состав выращенной монокристаллической пленки определ етс  формулой YbiBa2Cu30e,8.

б) Температура подложки была выбрана равной 638 К. Температура  чеек и потоки

составили: Туь 355°С, ,4-1014

ТВаО 1300°С, ,1 1014

10

Тси 1140°С, ,2-1014 , .6« 10 . Дл  меди , ,6 хЮ12. Дл  иттерби  ,6-1016 , ,1-10 .

Скорость выращивани  составила 0,8 мкм/ч. Химический состав выращенной монокристаллической пленки соответствовал

5

0

5

0

5

0

5

YbiBa2Cu30.

Таким образом, предложенный способ получени  сложных многокомпонентых соединений с заранее заданными свойствами позвол ет в едином цикле получать монокристаллические слои оксидов или оксид- фторидов наперед заданного состава.

Использование таких соединений весьма перспективно в микроэлектронике, опто- электронике, оптике, сверхпроводниковой технике.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ выращивани  слоев сложных оксидных соединений молекул рно-пучко- вой эпитаксией, включающий одновременное осаждение потоков молекул оксидов на нагретую подложку, отличающийс  тем, что, с целью получени  оксид-фторидов и расширени  круга выращиваемых сложных оксидов, используют дополнительные потоки молекул фторидов и молекул или атомов отдельных элементов соединени , плотности потоков этих элементов выбирают из соотношени  I Q-Pp(2mKT)1/2, где I - плотность потока атомов или молекул отдельного элемента соединени ;

   Рр - равновесное давление паров этого элемента при температуре подложки;

   m - масса элемента;

   Т - температура подложки. К;

   К- посто нна  Больцмана;

   Q - коэффициент инертности растущего сло  по отношению к этому элементу, , а осаждение ведут при температуре подложки 638-843 К.