1. 3. 2. Дослідження поверхневої морфології тонких плівок ТіN

Дослідження морфології поверхні тонких плівок ТiN і їх сколу проводилися на електронному скануючому мікроскопі Hitachi S-4l00.

Мікрофотографії поверхні і поперечного перерізу тонких плівок ТiN, нанесених методом реактивного магнетронного розпилення на скляні підкладки показані на рис. 1. 13.

Рис. 1.13. Мікрофотографії тонких плівок ТiN: а) поверхні, б) поперечного перерізу.

Мікрофотографія поверхні рис. 1.13, а) показує досить високу однорідність досліджуваних плівок (відсутні проколи). З мікрофотографії поперечного перерізу (рис. 1.13 б) випливає, що товщина плівки складає ~ 100нм, це значення добре узгоджується з товщиною плівки ~ 100нм, отриманої за допомогою інтерферометра МИИ-4. Ступінчате наростання тонких плівок TiN (рис. 1.13 б) (ступінчастий режим наростання добре узгоджується з [19]) обумовлено тим, що температура підкладки в процесі осадження плівок складає ~ 570 К і є набагато нижчою, ніж температура плавлення TiN ( 3200 К) .

З аналізу рентгенівських дифрактограм для досліджуваних плівок TiN визначені: період гратки – а = 0,42 нм, розмір зерен – D ~15 нм, значення мікродеформацій -   2,4 • 10^-3 і густини дислокацій -   5,8 • 10¹¹ см^-2 .

1. 3. 3. Оптичні константи та коефіцієнти тонких плівок ТіN

Оптичні властивості тонких плівок (показник заломлення n(λ), коефіцієнт поглинання α(λ), коефіцієнт екстинкції k(λ)) можуть бути визначені з незалежних вимірювань коефіцієнтів відбивання і пропускання.

При виконанні умови n² » k² коефіцієнт пропускання, для кожного досліджуваного зразка з відповідною товщиною d (за відсутності інтерференції), можна виразити формулою [65]:

(1.22)

Оскільки n² » k², тобто (αλ / 4πn) <1, то в області зміни прозорості від (1-R) / (1 + R) до 10% коефіцієнт поглинання можна обчислювати за формулою:

(1.23)

при цьому

(1.24)

Формула (1.24) справедлива в разі нехтування інтерференційними явищами на межі розділу плівка-підкладка, таке нехтування обумовлено відсутністю чітко вираженої інтерференційної картини в спектрах пропускання.

На рис. 1.14 наведені спектри пропускання, відбивання і поглинання тонкої плівки ТіN.

Рис. 1.14. Спектри пропускання - 1, поглинання - 2, відбивання - 3 тонких плівок TiN

З рисунку видно різке збільшення коефіцієнта поглинання поблизу області краю власного поглинання, а також збільшення значення коефіцієнта поглинання при збільшенні довжини хвилі λ > 500 нм, що обумовлено поглинанням світла вільними носіями заряду.

Вимірявши коефіцієнт відбивання для тонких плівок TiN, можна визначити спектральну залежність показника заломлення n(λ) для досліджуваних тонких плівок, використавши рівняння:

, (1.25)

з якого отримуємо [65]:

(1.26)

Рис. 1.15. Залежність показника заломлення від довжини хвилі для тонких плівок TiN. На вставці наведено залежність коефіцієнта екстинкції від довжини хвилі для цих же плівок.

Як видно з рис. 1.15 значення показника заломлення n(λ) плівок TiN, розраховані з рівняння (1.26), в області λ > 500 нм по мірі збільшення довжини хвилі зростають, що обумовлено збільшенням коефіцієнта відбивання в інфрачервоній області спектру. Різке зростання значень показника заломлення при довжинах хвиль λ < 500 нм обумовлено збільшенням відбивання біля краю власного поглинання тонких плівок нітриду титану.

Коефіцієнт екстинкції можна легко визначити, використовуючи рівняння k(λ) = λα(λ) / 4π[19]. Коефіцієнт екстинкції також різко зростає поблизу області краю власного поглинання досліджуваних плівок (вставка рис. 1.15). Але в області прозорості (λ > 500 нм) спостерігається незначне зростання значення показника екстинкції, що обумовлено збільшенням коефіцієнта поглинання.

Встановлено, що коефіцієнт поглинання тонкої плівки ТіN в області власного поглинання добре описується такою залежністю (рис. 1.16):

, (1.27)

де А - деякий коефіцієнт, значення якого залежить від ефективних мас носіїв заряду. Така залежність α(hν) свідчить про те, що матеріал тонкої плівки ТiN, напиленої методом реактивного магнетронного розпилення при постійній напрузі, є прямозонним напівпровідником. Визначено оптичну ширину забороненої зони тонкої плівки ТіN (E_g^op = 3,4 еВ) шляхом екстраполяції лінійної ділянки кривої (αhν)² = f (hv) до перетину з віссю енергії hv (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Графік залежності (αhν)² = f (hν) для тонких плівок TiN

Мікрофотографії поверхні і поперечного перерізу досліджуваних анізотипних n-TiN/p-CdTe гетеропереходів показані на рис. 1.17.

Рис. 1.17. Мікрофотографії анізотипного гетеропереходу n-TiN/p-CdTe: а) поверхні, б) поперечного перерізу.

Мікрофотографія поверхні (рис. 1.17, а) показує досить високу однорідність плівки (відсутні проколи, а плівка рівномірно повторює поверхню підкладки). На вставці рис. 1.17 а представлено елементний аналіз поверхні гетероперехода n-TiN / p-CdTe, який добре відповідає хімічному складу компонент гетеропереходу, а кисень є фоновою домішкою в плівці ТiN. З мікрофотографії поперечного перерізу (рис. 1.17 б) випливає, що товщина плівки складає ~ 100нм , це значення добре узгоджується з товщиною плівки ~ 100нм, отриманою за допомогою інтерферометра МИИ -4.