Исследование одномерных полупроводниковых структур ZnO с помощью атомно-силовых микроскопов серии XE

МАЯ152018

Общие сведения

Оксид цинка (ZnO) ― II-VI составной полупроводник с большой шириной запрещенной зоны (3.4 эВ) и со стабильной структурой типа вюрцита (гексагональная) (a = 0.325 нм, c = 0.521 нм) – обладает огромным потенциалом для применения в электронных, оптоэлектронных и магнитоэлектронных устройствах. На сегодняшний день данное вещество приковывает к себе пристальное исследовательское внимание благодаря своим уникальным свойствам и универсальности применения в таких областях, как прозрачная электроника, ультрафиолетовые излучатели, пьезоэлектрические устройства, химические сенсоры и спиновая электроника [1, 2, 3].

Основываясь на непревзойденных физических свойствах данного полупроводника и стремлении к миниатюризации элементной базы, были приложены большие усилия для синтеза, характеризации и разработки сфер применения наноматериалов на основе ZnO. В результате, широкий ассортимент наноструктур, таких, как нанопровода, нанотрубки, нанокольца и нано-тетраподы успешно выращивается с помощью различных методов, включая химическое осаждение из газовой фазы, термическое испарение, электролитическое осаждение и прочие [4, 5, 6]. Данные структуры подвергались процессам электрического переноса, УФ облучения, газового зондирования и ферромагнитного легирования, в которых был достигнут значительных прогресс [7].

Перспективы применения ZnO наноструктур в значительной степени зависят от способности контролировать их положение, ориентацию и плотность упаковки. Вертикально ориентированные нанопровода/наностержни предоставляют широкие возможности применения для излучателей электронного поля, вертикальных транзисторов и LED диодов, что привлекает огромное внимание. И хотя для вертикального выравнивания таких наноструктур может использоваться электрическое поле, в большинстве случаев ориентация осуществляется путем согласования решетки между ZnO и используемой подложкой. Используется несколько типов эпитаксиальных подложек, покрытых пленками из сапфира, GaN и ZnO, а также подложки на основе SiC и Si.

Не смотря на то, что сапфир широко используется в качестве эпитаксиальной подложки для вертикального выращивания нанопроводов из ZnO, проведенные исследования показывают, что GaN может быть еще более лучшим вариантом, так как имеет похожую кристаллическую структуру и постоянную решетки, близкую к ZnO. Нанопровода, выращенные на GaN эпислоях характеризуются лучшей вертикальной ориентацией, чем те, которые были выращены на сапфире [8]. Еще одним дополнительным преимуществом GaN перед сапфиром (и/или ZnO) является то, что данный материал обладает лучшими электрическими свойствами и его гораздо легче легировать для получения материала p-типа.

Рис. 1. Наностержни ZnO с гексагональной структурой.

Прямое измерение механических, пьезоэлектрических, оптических и магнитных свойств отдельных наноструктур является довольно сложной задачей, поскольку традиционные методы измерений, используемые для достаточно больших образцов, в данных случаях не применимы. Обычно для наблюдения и измерения физических размеров и ориентации наностержней и нанопроводов использовались методы сканирующей электронной микроскопии (SEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Однако, данные методы обладают рядом существенных ограничений: пространственное разрешение, методы пробоподготовки, время сбора данных и т.п. В дополнение, никакой информации кроме размеров и ориентации не может быть получено о подобных структурах с помощью как SEM, так и TEM. С другой стороны, технология атомно-силовой микроскопии (АСМ) предлагает простую, эффективную и неразрушающую альтернативу не только для исследования механических свойств (размеры, ориентация, упругость и т.д.), но также дает возможность проводить анализ электрических и магнитных свойств ZnO структур.

Традиционные атомно-силовые микроскопы построены на основе пьезоэлектрического трубчатого сканера, являющегося главным рабочим инструментом в АСМ. Данные сканеры вносят существенные искажения в получаемые результаты (помехи, изгибы, лишние артефакты и пр.). В отличие от традиционных АСМ, атомно-силовые микроскопы серии XE компании Park Systems оснащены двумя независимыми сканерами, один из которых перемещается только в плоскости XY, а другой вдоль оси Z. Как результат, получаемые изображения топографии поверхности остаются такими, какие они есть на самом деле, а в дополнение данная технология позволила реализовать уникальный бесконтактный режим измерений True Non-Contact, предотвращающий повреждение самого образца и продлевающий срок службы кантилеверов.

Обзор АСМ серии XE

Атомно-силовые микроскопы серии XE компании Park Systems используют уникальный инновационный дизайн сканирования, который объединяет в себе два независимых XY- и Z-сканера, что позволяет получать непревзойденные данные высокой точности, разрешения и с четкой ортогональностью структур.

Рис. 2. Атомно-силовой микроскоп серии XE: предоставляет различные режимы исследований методами СЗМ с высокой стабильностью и широкими сферами применения.

Z-сканер, который управляет перемещением кантилевера в вертикальной плоскости, является основным элементом, собирающим информацию о топографии поверхности, – полностью независим от работы XY-сканера, которые только перемещает образец вдоль горизонтальных осей X и Y. За счет своей уникальной структуры данные АСМ позволяют исключить из конечных результатов измерений перекрестные помехи и нелинейные эффекты, характерные для традиционны АСМ с пьезотрубчатыми сканерами.

Z-сканер разработан таким образом, чтобы обладать большей резонансной частотой по сравнению с пьезотрубчатым сканером. В связи с этим используется специальный пьезоэлектрический привод, способный приложить большое усилие толкания/тяги, когда на Z-сканер предварительно установлен кантилевер. Далее, за счет высокоточного механизма обратной связи, кантилевер способен «следовать» структуре поверхности исследуемого образца без возникновения ситуаций столкновения с ней или скалывания части структуры.

XY-сканер представляет собой гибкий сканер, предназначенный для сканирования образца в горизонтальной плоскости XY. Гибкая структура сканера гарантирует высоко ортогональное двумерное движение с минимальными внеплоскостными помехами. Погрешность на плоскостность такого сканера составляет всего 1-2 нм при диапазоне сканирования 50 мкм, тогда как у традиционных АСМ данная погрешность составляет более 80 нм при таком же диапазоне.

Симметричный дизайн гибкого сканера также позволяет размещать на предметном столике более крупные образцы по сравнению со столиком с пьезотрубчатым сканером. Кроме того, гибкая структура позволяет поддерживать равновесный баланс сканера неизменным даже при замене образца, поэтому динамика его перемещения не искажается. В заключение, поскольку сканер перемещается только в плоскости XY, это позволяет сканировать образец на более высоких скоростях (10 – 50 Гц) по сравнению с традиционными АСМ.

АСМ серии XE обладают преимуществами не только в своей конструкции, обеспечивающей более высокую производительность, но также используют ультрасовременные электронные компоненты. Управляющая электроника XE включает в себя передовые цифровые схемы с точными программными и аппаратными компонентами, которые обеспечивают высокую скорость и высокую производительность обработки данных и позволяют управлять сканером с высокой эффективностью, скоростью и точностью, что упрощает получение высокоточного изображения даже на скоростях более 10 Гц.

Кроме высокоскоростных измерений, управляющая электроника контролирует перемещение компонентов АСМ с высокой точностью и обеспечивает максимальную воспроизводимость за счет закрытого механизма сканирования обратной связи, что необходимо для сопоставления каждого дополнительного свойства с каждой точкой расширенных топографических данных. Не смотря на то, что АСМ может получать данные в нескольких режимах, система может не отображать точное местоположение в каждой точке измерения. В результате требуется программная коррекция (калибровка) для того, чтобы сопоставить данные из каждой точки с точным местоположением по топографии образца. Такая программная коррекция обычно хорошо работает, когда область сканирования относительно маленькая, однако с закрытым механизмом сканирования обратной связи такой алгоритм работает для любой области сканирования и не вносит никаких искажений.

Исследование ZnO наностержней

На рис. 3 представлено изображение топографии ZnO наностержней, выращенных на GaN подложке. Режим сканирования True Non-Contact, область сканирования 5 × 5 мкм, количество точек сканирования 256 × 256. Выращивание данных стержней осуществлялось путем помещения подложки в раствор нитрата цинка и гексаметил-тетрамина с температурой 60°C. На подложке наблюдаются как вертикально ориентированные, так и горизонтально ориентированные наностержни. На рис. 2 (а) представлен трехмерный вид области сканирования, а на рис. 2 (б) представлен вид сверху + профиль поперечного сечения вдоль линии соответствующего цвета. По результатам измерения видно, что характерная высота вертикально ориентированных стержней находится в диапазоне 0.3 – 0.6 нм, а длина горизонтально ориентированных стержнем лежит в диапазоне 1.1 – 2.0 мкм с диаметром до 1.2 мкм.

Рис. 3. Трехмерный (а) и двумерный (б) виды структуры ZnO наностержней на АСМ + профили поперечного сечения для оценки размеров наностержней.

На рис. 4 представлены изображения тех же образцов, полученные с помощью SEM. Увеличение для левого изображения составило 15000Х, а для правого – 30000Х. Для более лучшего отображения структуры образец был наклонен на 45°. Как и в результатах, полученных на АСМ, в данном случае также наблюдаются вертикально и горизонтально ориентированные наностержни с размерами по высоте 0.3 – 0.5 нм (вертикальные стержни) и по ширине 1 – 2 мкм и диаметру до 1 мкм (горизонтальные стержни). Учитывая то, что для анализа с помощью SEM образец был наклонен на 45°, полученные физические размеры очень близки к тем, которые были вычислены с помощью АСМ.

Рис. 4. Трехмерные виды структуры ZnO наностержней при различном увеличении на SEM.

Заключение

Одномерные полупроводниковые наноструктуры, такие как стержни, провода, кольца и трубки в последние годы привлекают к себе большое внимание благодаря их уникальным свойствам и возможности их использования для создания блоков электроники, фотоники и применений в биомедицине. ZnO – это прямозонный полупроводник с большой энергией экситонной связи, проявляющий близкое к УФ излучение, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, биологически безопасный и биосовместимый. Интенсивные исследования были сфокусированы на производстве одномерных ZnO наноструктур и корреляции их морфологии с оптическими, электрическими и магнитными свойствами. Среди одномерных структур наиболее широко были изучены наностержни из ZnO благодаря их легкому получению и последующему применению.

АСМ технология предлагает прямой, неразрушающий и простой метод контроля для получения характеристик, как простых механических, так и более сложных физических за счет использования различных приставок и аксессуаров. Современный архитектурный дизайн построения АСМ серии XE, предоставляющий работу с независимыми XY- и Z-сканерами и уникальным бесконтактным режимом True Non-Contact позволяет Вам использовать данное оборудование в широком спектре всевозможных задач с различными параметрами сканирования.

Примечание

Компания Park Systems выражает особую благодарность доктору Hock Ng из Bell Labs, Lucent Technologies за предоставление образцов ZnO наностержней и технический вклад при написании данной статьи.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park ХЕ7
Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park ХЕ15

Ссылки

1. Z. Fan and J.G. Lu, article in press.
2. S.Y. Lee, E.S. Shim, H.S. Kang, S.S. Pang, and J.S. Kang, Thin Solid Films 437, 31 (2005).
3. S.J. Pearton, W.H. Heo, M. Ivill, D.P. Norton, and T. Steiner, Semicond. Sci. Technol. 19, R59 (2004).
4. S. Fujita, S.W. Kim, M. Ueda, and S. Fujita, J. Cryst. Growth 272, 138 (2004).
5. H. Zhou, and Z. Li, Mater. Chem. Phys. 89, 326 (2005).
6. D.W. Zeng, C.S. Xie, M. Dong, R. Jiang, X. Chen, A.H. Wang, J.B. Wang, and J. Shi, and A. Krost, Supperlatice Microst. 36, 95 (2004).
7. Z. Fan and J.G. Lu, article in press.
8. H.J. Fan, F. Fleischer, W. Lee, K. Nielsch, R. Scholz, M. Zacharias, U. Gosele, A. Dadgar,  Appl. Phys. Lett. A79, 1865 (2004).