Epitaktische Bleisalz-Schmalbandhalbleiter auf Siliziumsubstraten

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1 Research Collection Doctoral Thesis Epitaktische Bleisalz-Schmalbandhalbleiter auf Siliziumsubstraten Author(s): Maissen, Clau Publication Date: 1992 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 11 Nov Diss.ETHNr.9930 EPITAKTISCHE BLEISALZ-SCHMALBANDHALBLEITER AUF SILIZIUMSUBSTRATEN ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von CLAUMAISSEN Dipl. Phys. ETH geboren am 15. März 1961 von Somvix (GR) \Jf i v***jtzj(t^\2_ Prof. Dr. G. Kostorz angenommen auf Antrag von: Prof. Dr. G. Kostorz, Referent Prof. Dr. G. Bauer, Korreferent PD Dr. H. Zogg, Korreferent 1992

3 4 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurde die Heteroepitaxie von Bleisalz-Schmalbandhalbleitem auf Siliziumsubstraten untersucht Es wurde sowohl auf (111)- wie auch auf (100)-orientierten Substraten gewachsen. Epitaxie wurde erreicht indem auf das Sili ziumsubstrat zuerst eine dünne CaF2/BaF2-Pufferschicht mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) aufgebracht wurde. Die Hauptprobleme der Epitaxie von Bleisalzen auf Siliziumsubstraten werden von der grossen Gitterfehlpassung und den stark unter schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verursacht. Zu Vergleichszwecken wurden auch Bleisalzschichten auf massiven BaF2-Substraten gewachsen und charakte risiert Um die in dieser Arbeit untersuchten Schichten herstellen zu können, wurde zuerst eine MBE-Aufdampfkammer für Bleisalze aufgebaut. RHEED-Experimente (Reflection High Energy Electron Diffraction) während des Aufwachsens der Schichten zeigen, dass die Bleisalze sowohl auf epitaktischem BaF^CaFj/SKlll) wie auch auf Spaltflä chen von massivem BaF2 inselförmig zu wachsen beginnen. Ab einer Schichtdicke von ca. 200 Ä findet ein kontinuierlicher Übergang zu zweidimensionalem Wachstum statt Nach dem Abkühlen der Schichten auf unter 250 C wird mittels RHEED eine Oberflächenrekonstruktioh festgestellt Fällt der Elektronenstrahl parallel zur <112>- Richtung auf die Probe, zeigen sich Überstrukturreflexe der Ordnung 1/3, bei einer Ein fallsrichtung parallel zur <110>-Richtung erhält man Reflexe der Ordnung 1/2. Aus diesen Uberstrukturreflexen kann keine konsistente Oberflächenrekonstruktion abge leitet werden. Rastertunnelmikroskopische (RTM) Aufnahmen der Oberflächen zeigen für auf BaF2/CaF2/Si(lll) gewachsene Schichten geradlinige Höhenstufen entlang den drei <110>-Richtungen, während bei auf massivem BaF2 gewachsenen Schichten keine der artigen Höhenstufen festgestellt werden. Diese Höhenstufen rühren vom Abbau der thermisch induzierten mechanischen Spannungen durch Gleiten von Versetzungen auf dem Hauptgleitsystem der Bleisalze her. Sie entstehen beim Abkühlen von der Wachs tumstemperatur auf Zimmertemperatur. Im weiteren sind auf der Oberfläche verschie den stark ausgeprägte Wachstumshügel erkennbar. Je kleiner die Wachstumstemperatur, desto höhere Wachstumshügel sind vorhanden und desto rauher ist damit die Ober fläche. Die Breiten von Röntgen-Rockingkurven sind für auf BaF^CaF^Ulll) ge wachsene Schichten grösser als für auf massivem BaF2 gewachsene Schichten. Die Werte sind mit denen anderer heteroepitaktischer Schichten grosser Fehlpassung ver gleichbar. Die aus RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) gewonnenen Xmin" Werte (normierte minimale Rückstreuausbeute) erreichen bei guten Schichten bei Zim-

4 5 mertemperatur sogar noch tiefere Werte als die eines massiven Kristalls. Transmis sionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen die Abnahme der Versetzungdichte mit zunehmender Schichtdicke. Die Temperaturabhängigkeit der Hallbeweglichkeit folgt der erwarteten T-5/2-Proportionalität bis Untersuchungen der Verspannungen in den heteroepitaktischen Bleisalzschichten hinunter zu Temperaturen von 5 K zeigen, dass die mechanischen Spannungen grösstenteils relaxiert sind. Aus der mit RTM gemessenen Oberflächenmorphologie ergibt sich folgendes Modell der Spannungsrelaxation: Bei (Ul)-orientierten Bleisalzschichten findet die Relaxation der thermisch indu zierten Spannungen durch Gleiten von Versetzungen auf dem Hauptgleitsystem der Bleisalze statt Bei exakt (loo)-orientierten Schichten hingegen ist Gleitung auf dem Hauptgleitsystem nicht möglich, da die wirksame Schubspannung verschwindet Die kritische Schubspannung für Gleitung auf dem Nebengleitsystem ist wesentlich grösser als für Gleitung auf dem Hauptgleitsystem. Als Folge davon beobachtet man bei einigen Mikrometer dicken (loo)-orientierten Schichten stets Rissbildung, während man bei (lll)-orientierten Schichten bis hinunter zu tiefen Temperaturen keine Rissbildung beobachtet Die in dieser Arbeit gewachsenen Bleisalzschichten wurden zur Herstellung von photovoltaischen Infrarotsensoren verwendet Die erreichten Empfindlichkeiten sind für die im 3-5 um Wellenlängenbereich arbeitenden PbTe-Sensoren nur unwesentlich schlechter als die besten publizierten Hg^Cd^Te-Sensoren gleicher Wellenlänge. Bei den längerwelligen Detektoren sind die Empfindlichkeiten noch ca. 3-4 mal kleiner als die der besten Hg1.xCdI[Te-Detektoren. Zum ersten Mal konnte ein Infrarotsensorarray auf einem Siliziumsubstrat welches die vollständige Ausleseelektronik bereits enthält hergestellt werden.

5 6 Summary In the present work heteroepitaxial layers of narrow gap lead chalcogenides were grown on (111)- and (loo)-oriented Silicon Substrates and their properties were investigated. Epitaxy was achieved by using an intermediate epitaxial CaF2/BaF2 buffer on Silicon. This Stack helps to overcome the large difference in lattice constants and ther mal expansion coefficients between Silicon and the lead chalcogenides. For comparison purposes lead chalcogenides layers were also grown on bulk BaF2. In the initial phase of this work a Molecular Beam Epitaxy (MBE) Chamber for lead chalcogenides was built MBE gives the opportunity to grow ternary lead chalco genides of different compositions in the same run and to perform in situ RHEED (Reflection High Energy Diffraction) experiments. Growth of the lead sah layers Starts by island formation on epitaxial BaF2/CaF2/Si(lll) as well as on freshly cleaved bulk BaF2. After a layer thickness of about 200 Ä has been reached, the surface becomes smoother and twodimensional growth is established. After cooldown below 250 C RHEED experiments show a surface reconstruction. If the electron beam is parallel to a <112> direction 1/3 Order streaks appear, while 1/2 order streaks become visible if the electron beam is parallel to a <110> direction. This can not be explained with a com mon surface reconstruction. Scanning Tunneling Microscopy (STM) of the lead chalcogenide layers on BaFyCaF^SKlll) shows straight lines due to surface height Steps along the three equivalent <110>-directions. However, no such surface Steps are observed for layers grown on bulk BaF2. These surface height Steps result from the thermal misfit strain relaxation by glide of dislocations on the main glide System of the lead salts. Beside these surface Steps, hillocks of different heights are also visible. The lower the growth temperature, the higher the hillocks and the rougher the surface. The füll width of half maximum of rocking curves are higher for layers grown on an epitaxial fluoride on Silicon than for layers grown on bulk BaF2. Nevertheless, they are comparable to the linewidths found for other heteroepitaxial Systems with high mismatches. At room temperature die Xmin values (minimum backscattered yield) from Rutherford backscattering spectrometry compares well with the measured value for a bulk crystal. Transmission electron microscopy shows a decreasing dislocation density with increasing layer thickness. The temperature dependence of the Hall mobility follows the expected T"5ß power law. Measurements of the strain down to cryogenic temperatures show that the strain in the layers is relaxed even at very low temperatures. From the surface morphology, determined by STM, a model for the thermal mismatch strain relaxation in the lead chalcogenide layers is proposed. In case of (lll)-oriented lead chalcogenide layers

6 7 strain relaxation occurs by the glide of dislocations on the main glide System. However, for (loo)-oriented layers glide on the main glide System is not possible because the applied resolved shear stress is zero. The critical shear stress for glide on the secondary glide System is much higher than for glide on the main glide System. Therefore, lead chalcogenide layers on BaF2/CaF2/Si(100) of a thickness of several micrometers always crack during cooldown to room temperature, white there are no cracks in (11 l)-oriented layers on BaF2/CaF2/Si(l 11) even at low temperatures. We used the lead salt layers to fabricate photovoltaic infrared sensor arrays. The detectivities are in the case of PbTe comparable with the best published Hgj^Cd^Te sensors of the same cutoff wavelength, whereas the detectivities of our Pbj_xSnxSe detectors for the 8-12 um wavelength ränge are about a factor of 3-5 smaller than for the best published Hg^Cd^Te sensors of the same cutoff wavelength. For the first time an infrared sensor array on a Silicon Substrate with integrated read-out electronics has been realized.