Введение к работе
Актуальность темы Многочисленные применения тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков привели к расширению фронта фундаментальных исследований свойств вещества в "пленочном состоянии" . Такое внимание обусловлено существенным отличием свойств тонких пленок от объемных образцов. Это связано с влиянием как условий синтеза пленок, так и состояния поверхности и границы раздела между пленкой и подложкой. Актуальными направлениями физики тонких пленок полупроводников и диэлектриков являются задачи синтеза пленок оксида цинка и структур ферромагнитный металл-полупроводник.
Пленки оксида цинка находят широкое применение в устройствах на акустических волнах благодаря высоким значениям коэффициента электромеханической связи и совместимости технологии их получения с хорошо развитой технологией планарных интегральных схем. Одним из путей продвижения акустических устройств в диапазон сантиметровых и миллиметровых длин волн является использование многослойных структур, образованных слоями оксида цинка с различной ориентацией текстуры [1]. До сих пор, пленки оксида цинка с наклонной текстурой получались путем наклона плоскости подложки относительно плоскости мишени, что приводит к появлению неоднородности пленки по толщине и снижает эффективность возбуждения звука. В связи с этим, остается актуальным получение однородных по толщине плепок оксида цинка с наклонной текстурой.
Структуры ферромагнитный металл-полупроводник перспективны для разработки устройств спин-зависимой наноэлектроники [2,3]. В последнее время, с этой точки зрения, уделяется большое внимание структурам Fe/GaAs (100). Это обусловлено, с одной стороны, широким использованием GaAs ориентации (100) при разработке полупроводниковых устройств, с другой - совпадением с точностью не хуже 5% постоянных кристаллических решеток Fe и GaAs, что важно для эпитакси-ального роста пленок. Одним из параметров, характеризующих качество магнитных пленок, является ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) АН. Известные до сих пор лучшие образцы структур Fe/GaAs (100) характеризуются АН ~ 100 Э при толщине пленки Fe
t sa 200 А что существенно превышает аналогичные значения для пленок Fe на подложках GaAs (ПО), где АН ~ 20...30 Э [4]. До сих пор возможность получения пленок Fe требуемых толщин t < 100 А и значениями АН ~ 20...30 Э на подложках GaAs (100) показана не была. Кроме того, остается неизученным влияние шероховатости подложек GaAs (100) на свойства эпитаксиальных пленок Fe.
Целью работы являлось исследование особенностей роста текстуриро-ванных пьезоактивных тонких пленок оксида цинка в планарной магне-тронной распылительной системе на постоянном токе в атмосфере аргона и кислорода и магнитоактивных тонких пленок железа полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках арсенида галлия (100). При этом решались следующие конкретные задачи:
-
исследование влияния величины и формы магнитных полей планарной магнетронной системы ионно-плазменного распыления на текстуру пленок оксида цинка;
-
исследование процессов синтеза пленок оксида цинка с прямой и наклонной текстурой и слоистых структур на их основе, проведение экспериментов по возбуждению в них акустических волн в сантиметровом диапазоне волн;
-
изучение влияния технологических параметров молекулярно-лучевой эпитаксии на магнитные свойства ультратонкнх пленок железа;
-
исследование влияния шероховатости подложек арсенида галлия на магнитные свойства ультратонких пленок железа.
Научная новизна. 1. Экспериментально показано, что наклонные, по отношению к подложке, потоки заряженных частиц, формируемые неоднородными магнитными полями приводят к росту пленок оксида цинка с однородной наклонной текстурой (100).
-
Установлено, что получение пленок оксида цинка в условиях ионной рекомбинации (зоне горения) с прикатодным падением потенциала порядка 40-60 В способствует формированию однородной текстуры с высоким уровнем пьезоактивности при толщинах менее 0,2 мкм.
-
Исследовано влияние технологических параметров молекулярно-лучевой эпитаксии и шероховатости подложки на магнитные свойства
ультратошшх плепок Fe/GaAs (100).
4. Получены ультратонкие пленки железа с шириной линии ферромагнитного резонанса ~ 20 Э.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Наклонная текстура пленок оксида цинка на подложке, расположенной в плоскости параллельной мишени, в планарной магнетронпой распылительной системе формируется в том случае, если реверс нормальной компоненты магнитного поля расположен в пространстве между мишенью и подл опекой.
-
Магнетронное распыление позволяет формировать однородные по толщине пленки оксида цинка с нормальной или наклонной текстурой при условии реверса нормальной компоненты магнитного поля перемещением подложки от оси системы к периферии при сохранении параллельности плоскости подложки и мишени.
-
Ультратонкие (9...100) А пленки железа на подложках арсенида галлия (100) с рекордно низкими значениями ширины линии ФМР (20...30 Э) получаются методом молекулярно-лучевой эпитаксии при скорости осаждения ~ 3 А/мин. и температуре подложки 40...50 С. В области толщин t < 60 А, зависимости намагниченности насыщения, констант кубической и плоскостной одноосной анизотропии от толщины пленки близки к линейным и в области t > 90 А имеют тенденцию к насыщению. В пленках толщиной t < 12 А ось [ПО] переходит из "трудного" направления намагничивания в "легкое".
4.Пленки железа с различным спектром ФМР формируются на подложках GaAs с величиной среднеквадратичной шероховатости а ~ 10....30 А изменением скорости осаждения в пределах 3...9 А/мин. При толщине пленки Fe t < а и t > Зет в спектре ФМР наблюдается одиночная линия поглощения, тогда как при а < t < 3<х - две линии поглощения.
Практическая ценность. Создана планарная магнетронная система ионно-плазменного распыления позволяющая формировать заданные неоднородные магнитные поля и осаждать пленки оксида цинка с прямой или наклонной текстурой, а также многослойные структуры. Акты внедрения прилагаются.
Получены пленки оксида цинка толщиной менее 0,2 мкм, возбуждающие гиперзвук до 18 ГГц.
Показана возможность изготовления многослойных устройств на основе чередующихся слоев с различной ориентацией текстуры.
Предложен эффективный метод исследования пьезоактивных свойств протяженных пленочных структур, основанный на возбуждении звука подвижным встречно - штыревым преобразователем.
Экспериментальные результаты по исследованию влияния технологических параметров молекулярно-лучевой эпитаксии на магнитные свойства ультратонких пленок железа на подложках арсенида галлия (100) могут служить основой гибридных магнитооптических устройств и устройств спин-зависимой наноэлектроники.
Достоверность проведенных исследований подтверждается воспроизводимостью экспериментальных результатов, надежностью использованных методов исследований. Полученные результаты не противоречат опубликованным данным других авторов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах: на XIII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике (1986, Киев), на XXIX и XXX Международных семинарах по спиновым волнам (1996, 1998 ФТИ им. А.Ф.Иоффе, С.-Петербург), "Зондовая микроскопия - 99", Всероссийское совещание (1999, Нижний Новгород), 4-th IEEE MTT/ED/AP/CPMT Saratov - Penza Chapter Workshop (1999, Саратов), на Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике (международной)(2000, Екатеринбург), на семинарах ИРЭ РАН, СО ИРЭ РАН, СГУ.
Личный вклад автора состоит в поиске режимов осаждения пленок, экспериментальном исследовании и определении параметров полученных пленок. При использовании результатов других авторов или результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах в виде статей и тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
трех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 151 страницу, включая 35 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 88 наименований.
