Strukturuntersuchungen an elektronischen Schichten
David RafajaInstitut für MetallkundeTU Bergakademie Freiberg
2
Themen
SrTiO3 – ferroelektrische gesinterte
Keramik
BaxSr1-xTiO3 – MOCVD ferroelektrische
Schichten auf Al2O3 Substraten
SrTiO3/BaTiO3 – ferroelektrische
Multilagenschichten auf Al2O3 Substraten
ZnO:Al – Halbleiterschichten auf Al2O3
Substraten
3
Perowskit-Struktur von SrTiO3 und BaTiO3
SrTiO3: kubisch, Pm3m, a = 3.9059 Å
SrTiO2.6: tetragonal, P4/mmm, a = 3.917 Å, c = 3.889 Å
PbTiO3: tetragonal, P4mm, a = 3.904 Å, c = 4.152 Å
BaTiO3: tetragonal, P4mm, a = 3.9945 Å, c = 4.0335 Å
o a
b
c
4
Beugungsgeometrien für Dünnschicht-analysen mittels Röntgenbeugung
qz
qx
qy
Symmetrische Beugungsgeometrie(XRR, XRD)
Beugung unter streifendem Einfall (GAXRD)
qz
qy
qx
5
Beugungsgeometrien für Dünnschicht-analysen mittels Röntgenbeugung
Vierkreisdiffraktometerqz
qx
qy
2
6
Eindringtiefe der Röntgenstrahlung beim streifendem Einfall (GAXRD)
oi
oiexe
Idz
dIt
sinsin
sinsin;
1: 0
SrTiO3
7
SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“
BeugungsbildBestimmung des spannungsfreien
Gitterparameters und der Eigenspannung
8
SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“
Bei der Oberfläche
nimmt der eigenspannungsfreie Gitterparameter ab „Unterstöchiometrie“ im Sauerstoffgehalt
nimmt die Druckspannung zu Konsequenz der Abnahme des Gitterparameters und der Wechselwirkung zwischen benachbarten Kristalliten
SrTiO3: kubisch, Pm3m,a = 3.9059 Å
SrTiO2.6: tetragonal, P4/mmm, a = 3.917 Å, c = 3.889 Å; Mittelwert a = 3.903 Å
9
SrTiO3 – Polykristalline „Keramik“
Abnahme des spannungsfreien Gitterparameters
Ausbildung einer Druckspannung bei der Oberfläche
Zunahme der Eigenspannung
10
SrTiO3 Keramik bei tiefen Temperaturen
0 50 100 150 200 250 300 350 4003.898
3.900
3.902
3.904
3.906
3.908
3.910
SrTiO3
La
ttic
e p
ara
me
ter
(10
-10m
)
Temperature (K)
0 20 40 60 80 100
3.8985
3.8990
3.8995
3.9000
3.9005
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.170
0.175
0.180
0.185
0.190
0.195
0.200
0.205
0.210
SrTiO3
FW
HM
(3
21
), [
o2
]
Temperature (K)
Tieftemperaturmessung:
• Sprungartige Änderung des Gitterparameters bei T < 90K
• Anstieg der Linienbreite bei T < 90K (tetragonale Gitterverzerrung, Phasenübergang)
11
Heteroepitaxie: SrTiO3 auf Saphir (Al2O3)
Al2O3, (001)-orientiert
BaxSr1-xTiO3
MOCVD(injection metal-organic CVD)
bei 800°C, 5 TorrSrTiO3, Ba0.1Sr0.9TiO3, BaTiO3
Nach der Beschichtung wurden die Schichten 30 min im Sauerstoff nachgeglüht
Ausgleich des Sauerstoffgehaltes
12
Eine starke Vorzugsorientierung (111) der Ba1-xSrxTiO3 Schichten
-8 -4 0 4 8
100
101
102
103
104
Inte
ns
ity
(a
.u.)
Sample inclination (deg)
Symmetrische Röntgenbeugung
Textur (111) in (Ba,Sr)TiO3 || (001) in Al2O3
Kleine Kippung der Vorzugsrichtung von der
Oberflächennormale
13
Zugängliche Netzebenen (im Reflexionsmodus)
Al2O3(001)
(006)
(108)
(111)
(211)
SrTiO3
(111)
Beugungswinkel (108): 61.3Winkel zwischen (006) und (108): 21.5
Beugungswinkel (211): 57.3Winkel zwischen (111) und (211): 19.5
14
-6 0 0 0 -4 0 0 0 -2 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0
q(x) (a.u.)
-6 0 0 0
-4 0 0 0
-2 0 0 0
0
2 0 0 0
4 0 0 0
6 0 0 0
q(y
) (a
.u.)
i
Sample
Beugungsebene
n
Reciprocal space mapping
SrTiO3 auf SaphirSrTiO3 (211) Al2O3 (018)
15
SrTiO3 auf Al2O3
O in SrTiO3
a
b
cPowderCell 1.0
a
bcPowderCell 1.0
Sr
Al
Ti
O in Al2O3
q(x)
q(y)
100
200
300
400
500
600
700
800
900211
211
112
112
121
121
018
_118
_108
Q-Scan Atomare Anordnung im direkten Raum
Zwei Kristallitgruppen – gedreht um 60°
16
BaxSr1-xTiO3 auf Al2O3
-2.2 -2 -1.8 -1.6
q(x) (1 /Å )
-1 .8
-1 .6
-1.4
-1.2
-1
q(y)
(1/
Å)
-3 -2 -1 0 1 2 3
q(x) (1/Å )
-3
-2
-1
0
1
2
3
q(y)
(1/
Å)
Linienverbreiterung im q-Scan Defektstruktur
Gitterfehlanpassung (Abhängigkeit von der Zusammensetzung)
-62 -61.5 -61 -60.5 -60 -59.5 -59
66.5
67
-62 -61.5 -61 -60.5 -60 -59.5 -59
67
67.5
68
-62 -61.5 -61 -60.5 -60 -59.5 -59
Sam ple inclination, (deg)
63
63.5
64
64.5
65
65.5
(a)
(b)
(c)
-0 .5 0 0.519.8
20.2
(d)
(de
g)
111
_332
_332
_332
SrTiO3
Ba0.1Sr0.9TiO3
BaTiO3
17
BaxSr1-xTiO3 auf Al2O3
Atomic Force Microscopy
Pyramidale Kristallite mit zwei unterschiedlichen lateralen
Orientierungen
111 111
_110
_110
18
Heteroepitaxie: ZnO:Al auf Saphir (Al2O3)
Al2O3, (001)-orientiertHexagonal, a = 4.7588 Å, c = 12.992 Å
ZnO: 2 wt.% Al, (001)-orientiertHexagonal, a = 3.2498 Å, c = 5.2066 Å
RF Magnetron-Beschichtung(PVD, 13.56 MHz)
310 K und 900 K, 10–5 Pa (Ar)ZnO mit 2 wt.% Al
Wachstumsgeschwindigkeit:10 nm/min
Halbleiter mit breitem Gap (Eg = 3.2 eV) Transparente Elektroden für Dünnschicht-Solarzellen Blaue Laser und Leuchtdioden
19
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K
20
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K
(100) ZnO
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4
(100) Al2O3
Stereographische ProjektionAtomare Anordnung an der
Grenzfläche Al2O3/ZnO
21
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K
Unterschied der Gitterparameter 12.6 %
Eigenspannung 1. Art und plastische Verzerrung
Eigenspannung 2. Art
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
sin²psi
Re
lati
ve d
efo
rmat
ion
(%
)
= -2.06 0.08 GPa
22
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 310 K
ZnO:Al Schicht auf (001) Saphir.
Kleines Bild: SAED Bild (selected area electron diffraction) entlang der [0-20]
Zone.
Diameter des Primärstrahles ca.
150 nm.
100 nm
Unterschiedliche Gitterparameter (Substrat – Schicht) kleine laterale Kristallitgröße
23
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K
24
ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K
Zwei Gruppen von ZnO Kristalliten mit unterschiedlicher Ausrichtung zum Al2O3 Substrat
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ZnO:Al auf Saphir (Al2O3), T = 900 K
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
sin²psi
Re
lati
ve d
efo
rmat
ion
(%
)
Gitterfehlanpassung (lattice mismatch)
Eigenspannungen 1. Art
Eigenspannungen 2. Art sind erholt
26
Heteroepitaxie: SrTiO3/BaTiO3 auf Saphir (Al2O3)
Al2O3, (001)-orientiert
BaTiO3
SrTiO3
BaTiO3
SrTiO3
15 x
Strukturmodell:
Dicke der einzelnen Schichten Elektronendichten Rauhigkeit und Morphologie der
Grenzflächen Netzebenenabstände in
einzelnen Schichten Kristallinität Rauhigkeit und Morphologie der
Oberfläche
27
Röntgenreflexion im Kleinwinkelbereich
0 2 4 6 8 1010 -7
10 -6
10 -5
10 -4
10 -3
10 -2
10 -1
100
Re
fle
cti
vity
Glancing angle (o2)
XRR
Kante der Totalreflexion Elektronendichte der Oberflächenschicht
Abnahme der Intensität Rauhigkeit der Probenoberfläche
Kiessig-Oszillationen Dicke der gesamten Multilagenschicht (Limit bei ca. 1500 Å), Rauhigkeit des Substrates
Bragg-Peaks Dicke einzelner Schichten in der Multilagenschicht, Elektronendichten, Grenzflächenrauhigkeiten
28
Röntgenbeugung im Weitwinkelbereich
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 500
5
10
15
20
25
30
35
dBd
A
+2
+1-4
-3-2
-1d
0
Inte
nsi
ty (
a.u
.)
Diffraction angle (o2)
XRD
Bragg-Peaks von einzelnen Materialien in der Multilagenschicht Netzebenenabstände in einzelnen Schichten
Satellitenreflexen Dicke einzelner Schichten in der Multilagenschicht, Grenzflächenrauhigkeit, Grad der Kristallinität
29
BaTiO3/SrTiO3 (105Å/94Å)x15
Oberflächenrauhigkeit: 10.8 ÅElektronendichte der Oberfläche: 0.87 (SrTiO3)
d = 2.275 ÅKeine scharfen Grenzflächen (XRR), kein Unterschied im Netzebenenabstand (XRR) eine starke Interdiffusion an Grenzflächen
111
(Ba,
Sr)
TiO
3
006
Al 2O
3
111
(Ba,
Sr)
TiO
3
006
Al 2O
3
30
BaTiO3/SrTiO3 (109Å/187Å)x15
Oberflächenrauhigkeit: 7.5 ÅElektronendichte der Oberfläche: 0.91 (SrTiO3)
t (BaTiO3) = 122 Å; t (SrTiO3) = 193 Å
= 315 ÅKeine scharfen Grenzflächen (XRR), sichtbarer Unterschied in Netzebenenabständen (XRD) mäßige Interdiffusion
31
Danksagung
Dr. J. Lindner, AIXTRON Aachen Dr. J. Petzelt und Dr. J. Kub, Physikalisches
Institut der AdW Prag Dr. K. Ellmer, HMI Berlin