Controle dos parâmetros de deposição de filmes hetero-epitaxiais de GaN e Ga(1-x)Mn(x)N preparados por RF magnetron sputtering

Resumo

Os filmes de GaN lideram atualmente as pesquisas e o desenvolvimento de novas aplicações em dispositivos semicondutores, enquanto filmes de Ga(1-x)Mn(x)N (x entre 0,03 e 0,07) são promissores candidatos para o desenvolvimento de dispositivos com controle de spin (spintrônica). Isto torna interessante a produção destes filmes e o desenvolvimento dos seus métodos de crescimento. Relatos da literatura dos três últimos anos vêm mostrando que a técnica de RF magnetron sputtering pode produzir filmes hetero-epitaxiais de GaN de alta qualidade estrutural, colocando-a como uma alternativa simples às técnicas mais elaboradas como a deposição de vapor químico a partir metalorgânicos (MOCVD), e a epitaxia por feixe molecular assistida por plasma (PAMBE). Além da simplicidade com que os filmes de GaN podem ser crescidos, a técnica de RF magnetron sputtering apresenta compatibilidade com uso de menores temperaturas de substrato, permite a escolha de utilizar ou não hidrogênio no processo de deposição, e facilita a introdução de quantidades controladas de Mn na preparação de Ga(1-x)Mn(x)N.Neste trabalho estamos interessados em produzir filmes semicondutores de GaN e Ga1-xMnxN pela técnica de RF magnetron sputtering com efetivo controle dos parâmetros de deposição. Os principais parâmetros de interesse são: temperatura e polarização dos substratos, pressão total, pressões parciais dos gases e precursores, emissão óptica dos componentes do plasma, e tensão de auto-bias do alvo. Para isto um sistema de sputtering anteriormente construído será complementado com novo porta-substratos, espectrômetro de massa, e espectrômetro de emissão óptica. O maior controle dos parâmetros de deposição e a obtenção de informações mais detalhadas sobre o crescimento dos filmes, possibilitarão melhor entendimento sobre os mecanismos de crescimento e o controle efetivo sobre as propriedades físicas dos filmes produzidos. Substratos de GaAs(111), safira (0001) e safira (1-210) serão testados nos crescimentos, juntamente as modificações dos parâmetros. Testes realizados em nosso laboratório com as condições possíveis atualmente em nosso sistema mostraram que os filmes de GaN e Ga(1-x)Mn(x)N produzidos são policristalinos e apresentam estrutura wurtzita. Os filmes foram depositados sobre Si(111) e Si(100) a temperaturas entre 60 e 150ºC, usando uma linha de nitrogênio e alvo de Ga improvisados. Os tamanhos médios dos cristalites são da ordem de 15 nm. Os filmes obtidos apresentam excelentes propriedades mecânicas e ópticas, porém permanecem paramagnéticos até temperaturas de 2K. Medidas preliminares de EXAFS nestes filmes indicam que não há formação de clusters de Mn e que a estrutura local do Mn é substitucional ao Ga, ou seja, é similar àquela ocupada em filmes com propriedades ferromagnéticas, sendo a ausência de ordenamento ferromagnético provavelmente devida aos defeitos estruturais. O trabalho tem potencial para inovar as técnicas existentes, pela utilização de co-sputtering para incorporar Mn ao Ga(1-x)Mn(x)N.Nosso objetivo é a produção por RF magnetron sputtering de filmes hetero-epitaxiais de GaN e Ga(1-x)Mn(x)N sobre GaAs(111) e safira, com baixa densidade de defeitos e alto grau de homogeneidade. Visamos também o entendimento da influência dos principais parâmetros de deposição sobre a estrutura e as propriedades eletrônicas, ópticas, e magnéticas dos filmes produzidos. Como aplicação dos filmes otimizados, avaliaremos a qualidade destes filmes com vistas à preparação de semicondutores magnéticos diluídos. (AU)