Studium tenkých epitaxních vrstev metodami rtg. difrakce a reflexe

 

Stanislav Daniš

 

Katedra fyziky elektronových struktur, Matematicko-fyzikální fakulta UK, Ke Karlovu 5, 121 16 Praha 2

 

Dnešní moderní elektronický průmysl si již nedokážeme bez tenkých vrstev ani představit. Tenké vrstvy tvoří základ všech elektronických obvodů – od jednoduchých transitorů, hradlových polí až po složité heterostruktury polovodičových laserů.

Tyto vrstvy, častěji však multivrstvy, lze připravit několika technologickými postupy. Mezi nejrozšířenější patří epitaxe z molekulárních svazků (MBE – Molecular Beam Epitaxy) a depozice z par metalo-organických sloučenin (MOCVD – Metallo-Organic Chemical Vapor Deposition). Během růstu může vlivem různosti substrátu a tenké vrstvy (jiný mřížový parametr, jiný součinitel teplotní roztažnosti) docházet k tvorbě defektů, např. misfit dislokací a threading dislokací, které ovlivňují transportní vlastnosti tenkých vrstev. Při růstu multivrstev je důležitým parametrem i drsnost jednotlivých rozhraní mezi vrstvami.

Z výše uvedeného je zřejmé, že správná volba materiálu substrátu může do značné míry ovlivnit koncentraci defektů ve vrstvě a tím i její kvalitu. Vhodnými nástroji na experimentální určení kvality vrstvy (např. koncentrace defektů, mřížový parametr) jsou metody elektronové mikroskopie (přímá metoda) a metody rentgenové. Elektronová mikroskopie umožňuje „vidět“ defekty ve vrstvě přímo, nevýhodou je destruktivnost metody (specielní příprava vzorku). Naproti tomu rentgenová analýza je nedestruktivní. Nedává však přímou informaci o defektech ve vzorku – o přítomnosti defektů jsme „informováni“  např. rozšířením difrakčního profilu nebo difuzně rozptýleným rtg.zářením. Vyhodnocení rtg. difrakčních dat je složitější než analýza přímého obrazu z elektronového mikroskopu. Analýza dat se neobejde bez modelu defektů přítomných ve vzorku, tj. musíme vědět, které defekty (např. typy dislokací) můžeme ve vrstvě očekávat. Teoretický popis vlivu defektů na intenzitu difuzně rozptýleného rtg.  záření podal ve své knize   M. A. Krivoglaz [1]. Pokud není znám typ defektů ve vrstvě, popř. Krivoglazova metoda je výpočetně náročná, lze použít fenomenologický model tzv. mozaikových bloků [2].

V příspěvku budou uvedeny základní informace o metodách růstu tenkých vrstev a jejich studiu pomocí rentgenového záření – zejména metod rentgenové reflexe a koplanární rentgenové difrakce.

 

[1] M. A. Krivoglaz, Diffraction of X-rays and Neutron in Nonideal Crystals (Springer, Berlin 1996)

[2] V. Holý, J. Kuběna, E. Abramof, K. Lischka, A. Pesek, E. Koppensteiner, J. Appl. Phys. 74(3), 1736 (1993)