CC BY
34
48
Микроскопическое исследование влияния у-излучения на эпитаксиальные пленки Pbi_xMnxSe
И. Р. Нуриева, Р. М. Мамишоваь, Н. Н. Г аджиеваь, М. А. Рамазановс, Р. М. Садыгова
аИнститут физики НАН Азербайджана, пр. Г. Джавида, 33, г. Баку, AZ-1143, Азербайджанская Республика ьИнститут радиационных проблем НАН Азербайджана, ул. Б. Вагабзаде, 9, г. Баку, АZ-1143, Азербайджанская Республика сБакинский государственный университет, ул. Г. Джавида, 23, г. Баку, АZ-1148, Азербайджанская Республика, e-mail: asi [email protected] , [email protected]
Методом атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности эпитаксиальных пленок n- и p-типов селенида марганца свинца (Pbi-xMnxSe (x = 0,01)) на подложках фторида бария ориентации (111) в исходном состоянии и после воздействия гамма-облучения. Показано, что модификация рельефа поверхности происходит в области поглощенной дозы 5<DY<35 кГр.
На основе особенностей поверхностных структур установлена инверсия p^n переходов при значениях 10<DY<25 кГр, что подтверждается электрофизическими измерениями. Выявлено, что выше 35 кГр нарушается радиационная стойкость этих пленок.
УДК 621-315; 548-552; 546-28 ВВЕДЕНИЕ
Поиск радиационно стойких материалов различного типа и разработка новых оптоэлектронных приборов на их основе, предназначенных для инфракрасной области спектра, - важнейшие задачи, стоящие перед современной наукой и техникой. Среди этих материалов особый интерес представляют соединения типа A B и твердые растворы на их основе. Наличие в кристаллической решетке полупроводников такого типа ионов элементов тяжелых металлов (свинец, олово) обеспечивает высокую радиационную и термическую устойчивость изготовленных на их основе приборов. Указанные полупроводниковые соединения и их твердые растворы в течение долгого времени широко применяются в приборах ИК-техники, работающих в области длин волн 3-5 и 8-14 мкм [1]. Так, за прошедшие годы разработана технология получения эпитаксиальных пленок этих материалов с высокой степенью кристаллического совершенства на различных подложках [2-9]. К ним, в частности, относятся эпитаксиальные пленки твердых растворов Pb1-xMnxSe. Ионы марганца в составе этих твердых растворов выявляют в них наличие новых качеств, свойственных полумагнитным полупроводникам, и предоставляют широкие возможности для создания на их основе магнитоуправляемых диодов, работающих в ИК-области длин волн 3-5 мкм [10-11]. Ввиду того, что современные оптоэлектронные приборы изготавливаются в основном на поверхности кристаллов, большое значение приобретает ее диагностика [12]. Отслеживание изменений, происходящих на ней под воздействием гамма-
излучения, и выбор эксплуатационных характеристик диодов, изготовленных с использованием этих твердых растворов, с учетом влияния наблюдаемых изменений на физические свойства последних, позволяют прогнозировать их рабочие режимы. С этой точки зрения исследование изменений, происходящих на поверхности эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (x = 0,01), подвергнутых воздействию у-излучения, в сравнении с исходными образцами представляет особый интерес. В настоящей работе получены трехмерные изображения поверхности и кривые распределения элементов поверхностных изображений по размерам - гистограммы для исходных и подвергнутых воздействию у-излучения (DY = 5-35 кГр) эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (x = 0,01).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эпитаксиальные пленки Pb1-xMnxSe (x = 0,01) были получены на подложках BaF2 (111) методом конденсации из молекулярного пучка при давлении 10-4 Па на стандартной вакуумной установке УВН71-Р3. Источником служили синтезированные твердые растворы Pb1-xMnxSe
(x = 0,01). Совершенство этих пленок исследовалось электронно-графическим, электронно-микроскопическим и рентгенодифрактометрическим методами. Степень кристаллического совершенства, то есть полуширина кривого качания рентгеновского максимума, выраженная в угловых секундах, определена на трехкристальном рентгеновском спектрометре (ТРС) и ДРОН-3. Электронограмма отражения от пленок Pb1-xMnxSe получена на электронографе (ЭМР-100), и в ре-
© Нуриев И.Р., Мамишова Р.М., Гаджиева Н.Н., Рамазанов М.А., Садыгов Р.М., Электронная обработка материалов, 2013, 49(1), 48-53.
49
зультате ее расшифровки (рис. 1а) установлен параметр ячейки (а = 6,11 А). В процессе роста по разработанной методике с использованием дополнительного источника Se были получены эпитаксиальные пленки п- и ^-типов проводимости с кубической структурой (а = 6,11А), толщиной 0,5-1 мкм, с высокой степенью кристаллического совершенства (W1/2 = 90Ы00") и электрофизическими параметрами (p.n,p (77 K) = =(2,5-3)-104 см2/(В-с)) (рис. 1). Электрофизические параметры пленок (проводимость, ЭДС Холла), полученные на диэлектрических подложках, измерялись потенциометрическим методом в постоянном магнитном поле напряженностью 2500 Э в откачанном до 2-10-4 мм рт.ст. криостате при температуре кипения жидкого азота (77 К).
Полученные образцы облучались дозой Dy = 5-35 кГр на установке MRX у-25 с изотопным источником Co60 (E = 1,25 МэВ). Мощность дозы поглощения источника составляла dD,f/dt = 0,40 Гр/с. Поверхности эпитаксиальных пленок до и после гамма-облучения исследовались на атомно-силовом микроскопе СЗМУ-Л5. Получены трехмерные изображения поверхности пленок, их гистограммы, а также Фурье-спектры. Инверсия проводимости в облученных образцах контролировалась микроскопическим и электрофизическим методами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На атомно-силовом микроскопе (АСМ) отслежены исходные поверхности эпитаксиальных пленок селенида марганца свинца и изменения, происходящие на поверхности этих образцов после воздействия гамма-облучения. С целью выявления динамики морфологических изменений поверхности и изучения пострадиационных эффектов, то есть эффектов, наблюдаемых после прекращения воздействия у-квантов на образцы, получены трехмерные (3D) поверхностные изображения и их гистограммы (кривые распределения элементов поверхностных изображений по размерам) эпитаксиальных пленок п- и ^-типов, которые представлены на рис. 2-5.
На рис. 2 и 3 показаны трехмерные АСМ-изображения поверхности образцов п- и ^-типов до (а) и после у-облучения при дозах Dy = 10 (б) и 25 кГр (с) соответственно. Как видно из трехмерных изображений, поверхности исходных (необлученных) образцов характеризуются наличием равномерно распределенных структурных (биографических) дефектов, обусловленных предысторией получения эпитаксиальных пленок (рис. 4-5а). Основными структурными дефектами являются дислокации, кластеры, комплексы собственных точечных дефектов селенида мар-
ганца свинца и примесей и др. При облучении сравнительно мягкими гамма-квантами
(E = 1,25 МэВ < 5 МэВ) образуются вторичные электроны, что приводит к ионизации поверхности и изменению ее зарядового состояния. Причем степень дефектности образцов в зависимости от типа проводимости различается, а высота наночастиц (зерен) для ^-типа по сравнению с п-типом уменьшается в ~2,5 раза. Степень дефектности материалов оценивается по величине плотности дислокаций, представляющей собой линейные дефекты структуры кристалла, что определено количеством и размером наночастиц элементов поверхностных изображений в зависимости от типа проводимости.
Как показывают гистограммы АСМ-
изображений поверхностей исходных эпитакси-аль ных пленок селенида марганца свинца п- и ^-типов, если в формировании поверхности образцов п-типа в основном участвуют наночастиц ы одного вида, преимущественно размером 35 нм (число которых составляет 16000 ед.) (рис. 4а), то гистограмма поверхности пленок ^-типа характеризуется широкой областью распределения различных видов наночастиц с размерами от 35 до 100 нм, что подтверждается также и их Фурье-спектрами. При этом число основных наночастиц размером 35 нм уменьшается в ~ 2,5 раза и составляет около 6000 ед. (рис. 5а).
Облучение сравнительно мягкими у-
квантами (E < 5 МэВ) эпитаксиальных пленок селенида марганца свинца и образование вторичных электронов приводят к ионизации поверхности и изменению ее зарядового состояния [13]. При этом в зависимости от типа проводимости исходных образцов происходят перераспределение зарядов, сопровождающееся образованием доменоподобной структуры, накопление зарядов на ее границе вплоть до полной их компенсации [13]. При облучении образцов селенида марганца свинца малыми дозами (Dy = 5-35 кГр) могут образовываться и радиационные дефекты различного типа, в том числе пар Френкеля [14]. По сравнению с другими радиационными дефектами образование пар Френкеля является наиболее вероятным, поскольку сечение электронного взаимодействия проникающего излучения с эпитаксиальной пленкой малой толщины соизмеримо с энергией смещения атома. Радиационно-стимулированная модификация поверхностей сопровождается изменением их трехмерных изображений и гистограмм (рис. 4-5б,в). При этом динамика изменения рельефа поверхности существенно зависит как от поглощенной дозы гамма-облучения, так и типа проводимости эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01).
50
Рис. 1. Электронограмма (а) и рентгенодифракционная кривая (б) эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (x = 0,01).
(а)
(б)
(в)
Рис. 2. Трехмерные АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01) и-типа до (а) и после Y-облучения при DY = 10 (б) и 25 кГр (в).
(в)
Рис. 3. Трехмерные АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01) ^-типа до (а) и после Y-облучения при DY = 10 (б) и 25 кГр (в).
51
Рис. 4. Гистограммы АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01) и-типа до (а) и после Y-облучения при DY = 10 (б) и 25 кГр (в).
Z, пт
(в)
Рис. 5. Гистограммы АСМ-изображения поверхности эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01) ^-типа до (а) и после Y-облучения при DY = 10 (б) и 25 кГр (в).
52
Рис. 6. Фурье-спектры эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х =
После гамма-облучения эпитаксиальных пленок дозой Dy = 10 кГр в образцах n-типа на поверхности образуются нанокластеры, высота которых превышает исходные на порядок и составляет 120 нм (рис. 2б). При этом гистограммы этих пленок характеризуются наличием наночастиц с размерами от 50 до 150 нм. В основном образуются нанокластеры размерами 80-120 нм, эти значения в ~3-4 раза больше размеров наночастиц в исходных образцах (рис. 3б). Наоборот, облучение образцов р-типа гамма-квантами дозой 10 кГр сопровождается образованием сравнительно зернистой структуры, размеры наночастиц которой равны 40-60 нм, а высота составляет 30 нм (в 2,5 раза меньше, чем у необлученных образцов) (рис. 4, 5б). При этом число этих наночастиц по сравнению с исходными образцами увеличивается в ~ 2,8 раза и составляет 16000 ед. Сравнение трехмерных (3D) изображений поверхностей и гистограмм (распределение элементов поверхностных изображений по размерам частиц) эпитаксиальных пленок и- и р-типов до и после гамма-облучения дозой 10 кГр показывает, что в них происходит частичная инверсия типа проводимости. Полная инверсия типа проводимости заканчивается при дозе гамма-облучения 25 кГр (рис. 2-5в). При этом следует обратить внимание на необычный вид распределения элементов изображений поверхности по размерам наночастиц (максимальное число частиц наблюдается при нуле) в гамма-облученных дозой 25 кГр образцах селенида марганца свинца р-типа, что, возможно, связано с полной компенсацией зарядов. Как видно из Фурье-спектра (рис. 6) этих пленок, в центре, где выделены прямоугольником области наночастиц, отсутствуют наночастицы с островками. Это отражается и на гистограмме, так как одновременно заметны наноостровки как слева, так и справа с высотами ~ 25-30 нм. Дальнейшее увеличение дозы гамма-облучения до 35 кГр приводит к ухудшению поверхностного состояния образцов и указывает на радиационную нестойкость эпитаксиальных пле-
0,01) р-типа до (а) и после у-облучения, 25 кГр (б).
нок. Возможно, при облучении гетероструктуры дозой больше 35 кГр начинаются частичный радиолиз подложки фторида бария и проникновение атомов (ионов) бария и фтора в пленку, что и приводит к радиационной неустойчивости вследствие этих примесей.
Прямым подтверждением результатов АСМ-измерений - об изменении типа проводимости (инверсии и^р) в образцах Pb1-xMnxSe (x = 0,01) после воздействия у-облучения - служат также данные электрофизических измерений. Как показывают термоЭДС измерения эпитаксиальных пленок п- и р-типов до и после гамма-облучения, в зависимости от поглощенной дозы в образцах происходит частичное или же полное изменение знака заряда. Это свидетельствует о смешанной (Dy = 10 кГр) или полной (Dy = 25 кГр) инверсии типов проводимости. Например, значения подвижностей pn>p, измеренных при температуре T = 77 K эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (x = 0,01) после гамма-облучения в зависимости от дозы облучения, в образцах п-типа по сравнению с необлученными образцами (pn,p (77 K)= =(2-3)-104 см2/(Вс)) увеличиваются в ~2-6 раз, в образцах р-типа, наоборот, уменьшаются в 1,5-2 раза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, показана возможность применения АСМ-метода при изучении морфологи-ч е с ких изменений поверхности и пострадиационных эффектов (подразумеваются эффекты, наблюдаемые после прекращения облучения образцов у-квантами) в эпитаксиальных пленках селенида марганца свинца. Получены трехмерные (3D) поверхностные изображения и их гистограммы исходных и у-облученных (Dy = =5-35 кГр) образцов эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (х = 0,01) и- и р-типов. На основе АСМ-данных выявлено, что динамика изменения рельефа поверхности этих образцов зависит как от величины поглощенной дозы гамма-облучения, так и от типа проводимости.
53
Установлено, что облучение эпитаксиальных пленок селенида марганца свинца малыми дозами у-квантов (Dy = 5-35 кГр) позволит изменить тип проводимости (от смешанных типов до полной их инверсии) в этих образцах. При Dy < 35 кГр формируется радиационно стойкая стабильная структура эпитаксиальных пленок. Электрофизические данные (термоЭДС измерения и значения подвижностей до и после у-облучения) подтверждают наблюдаемые в микроскопических измерениях особенности поведения радиационно-структурированных пленок. Варьируя дозу у-облучения, можно управлять изменением типа проводимости и получать радиационно-структурированные эпитаксиальные пленки с заданными свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сизов Ф.Ф. Твердые растворы халькогенидов
свинца и олова и фотоприемники на их основе. Зарубежная электронная техника. 1977, 24,
31-48.
2. Матвеенко А.В., Медведев Ю.В., Берченко Н.Н. Термическое вакуумное напыление эпитаксиальных пленок полупроводниковых соединений группы AIVBVI'. Зарубежная электронная техника. 1982, 11, 54-115.
3. Салаев Э.Ю., Нуриев И.Р., Джалилова Х.Д., Фараджев Н.В. Особенности роста и электрофизические свойства эпитаксиальных пленок Pb1.xSnxSe:In. Прикладная физика. 1999, (3),
112- 115.
4. Нуриев И.Р., Фарзалиев С.С., Садыгов Р.М. Рост эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxTe(Ga) на монокристаллах PbTe1-xSex. Поверхность. 2004, (1),
113- 115.
5. Нуриев И.Р., Фарзалиев С.С., Фараджев Н.В., Садыгов Р.М. Фотоэлектрические и оптические свойства эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxTe(Ga). Прикладная физика. 2006, (4), 106-108.
6. Нуриев И.Р., Гаджиев М.Б., Садыгов Р.М., Назаров А.М. Структура и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe. Прикладная физика, 2007, (2), 132-135.
7. Нуриев И.Р., Садыгов Р.М., Назаров А.М. Рост и структура фоточувствительных эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxTe (Ga). Кристаллография, 2008, (2), 329-331.
8. Нуриев И.Р., Гаджиев М.Б., Садыгов Р.М. Рост и структура эпитаксиальных пленок Pb1-xMnxSe (Ga). Кристаллография. 2009, 54(2), 331-333.
9. Нуриев И.Р. Структура и особенности морфологии поверхности эпитаксиальных пленок халько-генидов А1УВУ1. Кристаллография. 2009, 54(7), 1228-1229.
10. Засавицкий И.И., Ковальчик Л.Н., Мацоналшвили Б.Н., Сазонов А.В. Фотолюминесценция полумагнитных полупроводников типа А1УВУ1. ФТП. 1988,
2(12), 2118-2123.
11. Акимов Б.А., Львова Н.П., Рябова Л.И. Кинетика фотопроводимости в твердых растворах Pb1-xMnxTe (In) при изменении их состава. ФТП. 1996, 30(9), 1647-1652.
12. Афанасьев А.М., Александров П.А., Имамов Р.М. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М.: Наука, 1989. 151 с.
1 3 . Аккерман А.Ф., Грудский М.Я., Смирнов В.В. Вторичное электронное излучение из твердых тел под действием гамма-квантов. М.: Энерго-атомиздат, 1984. 245 с.
14. Конобеевский С.Т. Действие облучения на материалы. Введение в радиационное материаловедение. М.: Атомиздат, 1967. С. 194-206.
Поступила 01.12.11 После доработки 06.04.12
Summary
In the present work the surface morphology of epitaxial Pb1-xMnxSe (x = 0.01) films of n- and p-types, obtained on BaF2 (111) substrates by the molecular beam condensation method, have been investigated on the atomic-force microscope (AFМ) before and after influence of gamma-irradiation. It is shown that relief modification takes place in the 5<DY <35 kGy dose regions. On the base of surface structures it is established that conductivity inversion p-^n occurs after an irradiationwith 10<Dy<25 kQr, which is confirmed by electrophysical measurements. It is established that after an irradiation with dose over 35 kGy epitaxial films lose their radiation resistance.
