Применение методов рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии для анализа нарушенного слоя полярных граней ZnO после химико-механической обработки поверхности

Монокристаллы ZnO применяют для лазерных мишеней (JIM) квантоскопов, излучающих в УФ-диапазоне при облучении высокоэнергетическими электронами, и подложек под гомоэпитаксию при создании лазеров. Технология производства УФ-светодиодов на основе ZnO предъявляет высокие требования к качеству подготовки поверхности. Химико-механическая полировка (ХМП) обеспечивает хорошее качество поверхности, однако, известно, что полировка полярных поверхностей ZnO может быть разной. Для исследования структуры полярных (0001) и (000–1) граней ZnO после ХМП использовали методы рентгеновской дифракции высокого разрешения (РДВР) и рентгеновской рефлектометрии (РР), чувствительные к качеству поверхности. Две двухсторонне полированные подложки ZnO (0001) были вырезаны из разных слитков, выращенных гидротермальным методом. Профили глубины повреждения и плотности для Zn- и O-сторон образцов были восстановлены по кривым дифракционного отражения (КДО) и кривым зеркального отражения соответственно. Распределение интенсивности вблизи узлов обратной решетки ZnO (0002) и ZnO (0000) измеряли в трехкристальной геометрии на рентгеновском дифрактометре D8 Discover (Bruker-AXS, Германия). Для разделения когерентного и некогерентного вкладов в рассеяние анализировали интенсивность на участках, перпендикулярных к вектору дифракции и расположенных на разных расстояниях от узлов обратной решетки. Результаты РДВР и РР сравнивали с данными, полученными методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Метод РДВР выявил наличие поврежденного слоя на обеих сторонах образцов, но толщина слоя различается для стороны Zn и O: 5—7 нм для Zn-стороны и 10—11 нм для O-стороны. Метод РР показал, что обе стороны достаточно гладкие. Эти результаты были подтверждены измерениями АСМ (среднеквадратичное значение шероховатости ~ 0,23 ± 0,07 нм). Однако было обнаружено изменение концентрации электронов в приповерхностном слое. Толщина слоя больше для О-стороны. Сделано предположение, что наблюдаемые эффекты вызваны различным химическим взаимодействием Zn- и O-поверхностей с полировальными реагентами.

1. Minami T. Transparent conducting oxide semiconductors for transparent electrodes. Semiconductor Science and Technology. 2005; 20(4): S35. https://doi.org/10.1088/0268-1242/20/4/004

2. Bhosle V., Prater J.T., Yang F., Burk D., Forrest S.R., Narayan J. Gallium-doped zinc oxide films as transparent electrodes for organic solar cell applications. Journal of Applied Physics. 2007; 102(2): 023501—023501-5. https://doi.org/10.1063/1.2750410

3. Owen J., Son M.S., Yoo K.-H., Ahn B.D., Lee S.Y. Organic photovoltaic devices with Ga-doped ZnO electrode. Applied Physics Letters. 2007; 90(3): 033512. https://doi.org/10.1063/1.2432951

4. Kim Y.H., Kim J.S., Kim W.M., Seong T.-Y., Lee J., Müller-Meskamp L., Leo K. Realizing the potential of ZnO with alternative non-metallic co-dopants as electrode materials for small molecule optoelectronic devices. Advanced Functional Materials. 2013; 23(29): 3645—3652. https://doi.org/10.1002/adfm.201202799

5. Фарафонов С.Б. Химико-механическое полирование монокристаллов ZnO, NiSb, Cu и цилиндрических подложек Si: Дисс. ... канд. техн. наук. М.: НИТУ «МИСиС»; 2011. 213 с.

6. Кузьмина И.П., Никитенко В.А. Окись цинка. Получение и оптические свойства. М.: Наука; 1984. 166 с.

7. Артёмов A.C., Горбатенко Л.С., Новодворский O.A., Соколов В.И., Фарафонов С.Б., Храмова О.Д. Подготовка подложек ZnO и а-Al2O3 для создания УФ лазеров. Нанотехника. 2007; 4(12): 46—50.

8. Shcherbachev K.D., Bublik V.T., Mordkovich V.N., Pazhin D.M. The influence of photoexcitation in situ on a generation of defect structure during ion implantation into Si substrates. Journal of Physics D: Applied Physics. 2005; 38(10А): A126. https://doi.org/10.1088/0022-3727/38/10a/024

9. Shalimov A., Shcherbachev K.D., Bak-Misiuk J., Misiuk A. Defect structure of silicon crystals implanted with H2+ ions. Physica Status Solidi A: Applications and Materials. 2007; 204(8): 2638—2644. https://doi.org/10.1002/pssa.200675697

10. Bowen D.K., Tanner B.K. X-ray metrology in semiconductor manufacturing. Boca Raton: CRC Press; 2006. 279p. https://doi.org/10.1201/9781315222035

11. Holy V., Baumbach T. Non-specular X-ray reflection from rough multilayers. Physical Review B. 1994; 49(15): 10668—10676. https://doi.org/10.1103/physrevb.49.10668

12. ISO 16413:2020. Evaluation of thickness, density and interface width of thin films by X-ray reflectometry – Instrumental requirements, alignment and positioning, data collection, data analysis and reporting. Publ. 08.2020. https://www.iso.org/standard/76403.html

13. Croce R., Nevot L. Étude des couches minces et des surfaces par réflexion rasante, spéculaire ou diffuse, de rayons X. Revue de Physique Appliquée (Paris). 1976; 11(1): 113—125. https://doi.org/10.1051/rphysap:01976001101011300

14. Artioukov I.A., Asadchikov V.E., Kozhevnikov I.V. Effects of a near-surface transition layer on X-ray reflection and scattering. Journal of X-Ray Science and Technology. 1996; 6(3): 223—243. https://doi.org/10.3233/xst-1996-6301

15. Croce R., Nevot L., Pardo B. Contribution a l’étude des couches minces par réflexion spéculaire de rayons X. Nouvelle Revue d Optique Appliquée. 1972; 3(1): 37—50. https://doi.org/10.1088/0029-4780/3/1/307

16. Underwood J.H., Barbee T.W. Layered synthetic microstructures as Bragg diffractors for X-rays and extreme ultraviolet: theory and predicted performance. Applied Optics.1981; 20(17): 3027—3034. https://doi.org/10.1364/ao.20.003027

17. Benediktovitch A., Feranchuk I., Ulyanenkov A. Theoretical concepts of X-ray nanoscale analysis. Theory and applications. Springer; 2014. 318 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-38177-5

18. Stoev K., Sakurai K. Recent theoretical models in grazing incidence X-ray reflectometry. The Rigaku Journal. 1997; 14(2): 22—37.

19. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes in C. NY: Cambridge University Press; 1996. 994p.

20. Афанасьев A.M., Чуев М.А., Имамов P.M., Ломов А.A., Мокеров В.Г., Федоров Ю.В., Гук А.В. Исследование многослойных структур на основе слоев GaAs-InxGa1-xAs/GaAs методом двухкристальной рентгеновской дифрактометрии. Кристаллография. 1997; 42(3): 514—523.

21. Wormington M., Panaccione C., Matney K.M., Bowen D.K. Characterization of structures from X-ray scattering data using genetic algorithms. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1999; 357: 2827. https://doi.org/10.1098/rsta.1999.0469

22. Афанасьев А.М., Александров П.А., Имамов Р.М. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М.: Наука; 1989. 152 с.