Einfluss des sauerstoffpartialdruckes bei der Cd-, Se- und CdSe-Schichtbildung II. Experimentelle bestätigung an Cd-, Se- und CdSe-Schichten

Einfluss des sauerstoffpartialdruckes bei der Cd-, Se- und CdSe-Schichtbildung II. Experimentelle bestätigung an Cd-, Se- und CdSe-Schichten

Thin Solid Films, 29 (1975) 249-268 © Elsevier Sequoia S.A., Lausanne---Printed in Switzerland 249 EINFLUSS DES SAUERSTOFFPARTIALDRUCKES BEI DER Cd-...

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Thin Solid Films, 29 (1975) 249-268 © Elsevier Sequoia S.A., Lausanne---Printed in Switzerland

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EINFLUSS DES SAUERSTOFFPARTIALDRUCKES BEI DER Cd-, Se- U N D CdSe-SCHICHTBILDUNG II. EXPERIMENTELLE BEST,~TIGUNG AN Cd-, Se- U N D CdSe-SCHICHTEN

JAROSLAV HAMERSK3(

ForschungsinstitutJ~r elektrotechnische Keramik, Hradec Kr6lov~ (C.S.S.R.) (Eingegangen am 4. Oktober 1974; angenommen am 27, Januar 1975)

An Cd, Se und CdSe bei verschiedenem Sauerstoffpartialdruck durchgefiihrte Aufdampfexperimente werden mit theoretischen Ableitungen verglichen. Es wurde der Einfluss des 02 bei der Schichtbildung von Materialien mit verschiedener Oxydationsf~ihigkeit analysiert.

Summary Cd, Se and CdSe deposition has been carried out at various partial oxygen pressures and the results have been compared with theoretical predictions. The influence of 02 during the formation of layers of various oxidation properties has been analysed.

1. EINLEITUNG Die Untersuchung kniipft an die im ersten Teil dieser Arbeit durchgeftihrten Ableitungen an. Die Cd-, Se- und CdSe-Materialien wurden im Partialdruckbereich 10 -7 bis 10 -3 Torr in der Sauerstoffrestgasatmosphare aufgedampft. Die Sauerstoffdruckwerte von ca. 10 -7 Torr wurden mittels Getterung durch SiO-Sublimation erreicht. Zum Aufdampfen wurden Rohstoffe mit 99,999~ Reinheit verwendent; Ci:l wurde vom Forschungsinstitut f'fir Metalle in Panensk6 Bfeiany (~.S.S.R.) und Se und CdSe v o n d e r Mathematisch-Physikalischen Fakult~it der Karls'universit~it in Praha bezogen. Die Sublimation verlief in allen drei F~illen in Mo-Schiffchen mit perforierten Deckeln. Bei der Auswertung der in Sauerstoffatmosph~ire aufgetragenen Cd-Schichten wurde zum Vergleich mit der Theorie die Abh~ingigkeit des spezifischen Widerstandes vom Oxydationsgrad verwendet. Bei Se und CdSe konnte der Oxydationskoeffizient aus den Messungen nicht festgestellt werden. Darum wurden aus optischen Messungen die )knderungen der optischen Schichtkonstanten bestimmt, besonders die optische Absorption in Abhangigkeit von der Wellenl~inge der monochromatischen Strahlung, und daraus wurde der Einfluss des Sauerstoffes auf die Eigenschaften und auf das Verhalten der aufgedampften Schichten bestimmt. Schliesslich muss noch bemerkt werden, dass die Sublimation des CdSe aus der Verbindung durchgeftihrt.

250

J. HAMERSKY

2. EXPERIMENTELLE BESTIMMUNG DES OXYDATIONSKOEFFIZIENTEN DER Cd-scHICHTEN

Kadmium wurde bei vier verschiedenen Partialdrucken des Medizinalsauerstoffes in der Restgasatmosph~ire aufgedampft, und zwar bei Po2 = 7,2 x 10 -4, 1,3 x 10 -4, 3 × 10 -5 und < 10 - 7 Tort. Der niedrigste Druckwert wurde durch Getterung des Vakuumraumes bei gleichzeitigem Aufdampfen des SiO in einem getrennten Raum der Aufdampfanlage erreicht. Bei Verwendung eines MoSchiffchens mit einem perforierten Deckel ist (ohne RiJcksicht auf den Sauerstoffdruck im Rezipienten) die Temperaturabh~ingigkeit der Aufdampfgeschwindigkeit im Bereich 10 -4 bis 10 - 7 Torr immer gleich. Bei Sauerstoffdruckwerten von 7 × 10 -4 Torr werden die Aufdampfgeschwindigkeiten bereits niedriger. Diese Erscheinung kann durch den Einfluss der mit den geometrischen Abmessungen der Quelle-Unterlage vergleichbaren mittleren freien Wegl~ingen des in Sauerstoffatmosph~ire aufgedampften MolekiJlstrahles erkl~irt werden, oder es kann sich hier auch schon der Einfluss der Sauerstoffatmosph~ire auf die Sublimationseigenschafl~en der Einwaage in der Quelle bemerkbar machen. Die Abh~ingigkeit der Aufdampfgeschwindigkeit v o n d e r Quellentemperatur f'tir verschiedene Partialdrucke des Sauerstoffes ist in Abb. 1 dargestellt. 104

103 ',o

%

~> i0 z

-a "5

'•Po2 (T°rr)

1o-7 bis 10-4

i0 -I

II [,5

7, 2xI0 -4 2,5

I03 x Tq-l(K-I) Abb.

I. A u f d a m p f g e s c h w i n d i g k e i t

des K a d m i u m s in Abh~ingigkeit v o n der Que]]entemperatur.

Zur Feststellung des Cd-Oxydationskoeffizientenwurden zwei sich gegenseitig erganzende Methoden angewandt. Es ist bekannt, dass die Cd- und CdO- Widerst~inde unterschiedlich sind und aufgrund der festgestellten spezifischen Wider-

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG. II

251

st~inde der Schichtmuster kann demnach der Koeftizient bestimmt werden. In der zweiten Methode wird eine R6ntgen-Strukturanalyse durchgefiihrt. 2.1. B e s t i m m u n g des Oxydationskoeffizienten ~ aus dem spezifischen Widerstand

Die Abh~mgigkeit der spezifischen Widerst~inde der in der Oxydationsatmosph~ire aufgedampften Cd-Schichten vom Verh~iltnis na, cd+CdO/nao2 ist in Abb. 2 veranschaulicht. Die gemessenen Widerstandswerte in Abh~ingigkeit von der Schichtbildungsgeschwindigkeit ergeben die in Abb. 3 dargestellten Kurven. Daraus geht hervor, dass die Widerst~inde mit steigender Schichtbildungsgeschwindigkeit bei Bildung der Cd-Schichten ohne Sauerstoff in der RestatmosphSre proportional anwachsen. Die Vorzugsorientation der Schichttextur verschwindet n~imlich bei grossen Schichtbildungsgeschwindigkeiten und dadurch sinkt die Dichte der Schicht w~ihrend der Widerstand w~ichst. Im Gegensatz dazu steigen die Widerstandswerte der bei h6heren Sauerstoffdriicken in der Restgasatmosph~ire aufgedampften Cd-Schichten und n~ihern sich den Werten PCdO= 3,5 × 10 -3 ~ cm, die von Kubov~ und Mitarbeitern 2 •r gesintertes CdO angegeben werden. l04

Po2(Torr) • <10-7 • 3xlO-5 1,3xlO-4 4 7,2 xiO~

iO-Z Pcdo

$

id4

I0-~

I 0 -5

IU 3

I 0 -i

I0

I0 3

I0 5

no 0:1 +cao/no O~

Abb. 2. Spezifischer Widerstand der Cd-, CdO-Schichten in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2-Molekiile.

Wenn man die Widerstandswerte der beim Sauerstoffpartialdruck von 10- v Torr aufgedampften Schichten als Werte ftir metallisches Kadmium annimmt,

kann man in erster N~iherung den Widerstand des aus Cd- und CdO-Krystalliten zusammengesetzten Materials durch die Beziehung p = Xpcd+(1--X)Pcdo

(1)

ausdrticken, wo x und 1 - x die Partialkomponenten des Cd bzw. des CdO sind, Pca = (2ncae)- 1 der spezifische Widerstand des Kadmiums, Pcao = ( r ] e c d o e # c d o ) - 1 der spezifische Widerstand des CdO, nel die Dichte der Tr~iger der freien Ladung,

252

J. HAMERSKY

8 x j(53

-#

P02 (Torr) 4x1(5 3

q.

5xlG 5

i0-7 /Gz

I.

iG~

I0

I0 2

iO 3

io 4

Aufdampfgeschwindicjkeii (,~ s")

Abb. 3. Spezifischer Widerstand der Cd-, CdO-Schichten in Abh~ingigkeit von der A u f d a m p f geschwindigkeit.

e die Elektronenladung und #i die Beweglichkeit der Ladungstrager ist. Aus dieser Gleichung kann der Wert x in F o r m von X--

1 --P/Pcdo

(2)

1 - Pcd/Pcdo

berechnet werden. Mit Hilfe der Zahl n der Molekfile in der Schicht und der Dichte der Ladungstr~iger n e und durch Verwendung des Widerstandes fiir CdO erhalten wir f'tir den Oxydationskoeffizienten die Beziehung ncdo

(ZCO- - r/Cd-~-FtCdO

7,7 × 1 0 2 n e CdO 0,5r/e

Cd

+ 7,7

×

102he CdO

1 -- X

1 + 0,236X

(3)

Beim Ableiten dieser Beziehung wurde angenommen, dass der spezifische Widerstand des Musters durch die Summe der Teilwiderst~inde des Cd und des CdO laut G1. (1) und die Leitf~ihigkeit der reinen Komponenten durch die freien Ladungstr~iger gegeben ist. In unserem Fall also durch die Elektronen, die zur Gesamtzahl der Molekiile in der Schicht in einem bestimmten Verh~iltnis stehen ( n c d = 0,5 n~cd; nCdO-----7,7 x 1 0 2 n e c d O ) 2. Die friiher berechneten Werte ~ von Oxydationskoeftizienten und die mittels Beziehung (3) gefundenen experimentallen Werte werden in Abb. 4 gegeniibergestellt. Wie man sieht, niihert sich die experimentell gefundene Abhiingigkeit der theoretischen. Dabei sind die f'tir den Sauerstoffpartialdruck Po~ = 3 × 10-5 Torr bei der Schichtbildung gemessenen Werte im Vergleich zu den theoretischen

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG.I[

253

I

I a mess B ~theor •

PO= (Torr)~

~ s l r uktural

~"

Ct 0 , 5

L i

i

o 10-6

i

10-5

10.4

10-3

I

10-2

I0-I

I0

I rl a C d / n a

102

103

,

104

.

J ,

105

..

I0~

02

Abb. 4. Oxydationskoeifizient des Kadmiums in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2,Molektile,

Werten in Richtung des niedrigeren Dichteverh~lltnisses der auffallenden Cdund O2-MolekiJle verschoben. Dies ist wahrscheinlich dadurch bedingt, dass der SorptionskoeffiZient fiJr Sauerstoff niedriger ist als f'tir Kadmium. Beim Sauerstoffpartialdruck von 7,2 x 10 -4 Torr kommt es wahrscheinlich noch zu Zusammenst6ssen im Raum zwischen Quelle und Unterlage, wodurch der Strahl gestreut wird. Dadurch fallen auf die Unterlageoberfl~iche weniger Cd-Molekiile auf als bei niedrigeren Drucken der Restgase im Rezipienten. Da jedoch bei diesen Werten des Partialdruckes beim Aufdampfen auch Zusammenst6sse im Raum zwischen der Quelle und der Unterlage angenommen werden k6nnen--vor allem dort, wo die Anzahl der Cd-Molekiile im Raum oberhalb der Unterlage noch nicht vernachl~issigbar ist--kann es in der Schicht zu einer h6heren CdOKonzentration kommen, als die Theorie fiJr Zusammenst6sse nur auf der Unterlage ergibt. Eine sehr ann~ihernde Korrektion kann f'tir den Sauerstoffpartialdruck 7,2x 10 -4 Torr durch Umrechnung der Aufdampfgeschwindigkeit aus der friiher genannten Dichte der sublimierenden Cd-Molektile zur wirklichen Aufdampfgeschwindigkeit bei einer bestimmten Quellentemperatur durchgef/ihrt werden. Die transformierte Abh~ingigkeit des Koefflzienten ~w wurde in die Abb. 4 nachtr~iglich eingetragen. Der Verlauf der korrigierten Abh~ingigkeiten entspricht voll den Vorstellungen fiber den Einfluss des Koeffizienten der Sauerstoffsorption auf das Anwachsen der Cd-CdO-Schicht in Abh~ingigkeit vom Verhaltnis na cd/n, 02, wie oben diskutiert wurde. Wird in Abb. 4 die theoretische Abhangigkeit f'tir Ko2/Kcd = 1 berechnet und ist die gemessene Abhangigkeit dieses Verh~iltnis von Null verschieden, dann kann aus theoretischen und experimentell bestimmten Werten des Oxydationskoeffizienten das Verh~iltnis des Sorptionskoefflzienten des Sauerstoffes und des Kadmiums in Form yon

254

J. HAMERSKY

Ko2 _ 1/~,.eor-- 1 Kcd 1/~ . . . . -- 1

(4)

berechnen. Die berechneten Werte des oben diskutierten Verh~iltnisses der Sorptionskoeffizienten wurden •r zwei verschiedene Sauerstoffpartialdrucke beim Aufdampfen in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2-Molektile in Abb. 5 eingetragen. Beim Sauerstoffpartialdruck 3 x 10 -5 Torr handelt es PO~ (Torr)

f

~

7,2 x 10-4

3 x l O -5

Z \ 0,5 Z

J / _ J

0 10-3

10-2

I0

i0 a

10 2

10 3

104

no co/no 0 2

Abb. 5. Verh~iltnis der Sorptionskoeffizienten des Cd und 02 in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2-Molekiile.

sich um den normalen Verlauf des Oxydationskoettizienten, der vom Verh~iltnis der auffallenden Molektile abh~ingig ist. Der Kurvenverlauf bei Po2 = 7,2 x 10 -4 Torr zeigt, dass der steile Anstieg des Verh~iltnisses der Sorptionskoeffizienten noch von anderen Mechanismen, als nur durch den Geschwindigkeitsanstieg des Schichtwachstums bestimmt ist. Der steile Anstieg der Cd- Bildung befindet sich dort, wo die mittlere freie Molektilbahn der Entfernung Quelle-Unterlage vergleichbar wird, also dort, wo viel mehr Zusammenst6sse zwischen den Molekiilen des aufgedampften Materials und des Sauerstoffes stattfinden, als in der Ableitung vorausgesetzt wurde 1.

2.2. Bestimmung des Oxydationskoeffizienten ~Cd mittels der R6ntgen-Struktur-

analyse Sechs ausgew~ihlte Muster im Bereich I0- 3 < na cd/na o2 < 104 wurden einer R6ntgen-Strukturanalyse unterzogen. Tabelle I veranschaulicht die Bildungsweise der Cd-Schichten.

Cd-,

S e - LIND C d S e - s c H I C H T B I L D U N G .

TABELLE

255

II

I

BEDINGUNGEN FUR DIE SCHICHTBILDUNG DES Cd IN DER SAUERSTOFFRESTGASATMOSPHARE

Muster Nr.

Partialdruck 0 2 (Torr)

Schichtbildungsgeschwindigkeit ( A s- t)

nacd/nao2

6 2 27 21 24 23

~ 1 0 -7 ~ 1 0 -7 7,2 x 10 - 4 1,3 × 10 - 4 7,2 x 10 - 4 7,2 × 10 - 4

730 14 200 790 6,4 1

9,1 x 1,8 x 3,2 1,25 6,9 × 1,6 ×

103 102

10 -3 10 -3

Die an Bulk-Material durchgefiihrten Messungen zeigen, dass das Kadmium im Hexagonal-Gitter kristallisiert, w~ihrend die Kristallisation des CdO in einem kubischen fl~ichezentrierten Gitter verl~iuft. Beide Materialien zeigen als aufgedampfte Schichten mit zunehmender Dicke eine Textur mit einer Orientierung zur Ebene der Unterlage. Bei der Hexagonal-Struktur des Kadmiums handelt es sich vorzugsweise um die senkrecht zur Unterlage wachsende Achse c, bei der kubischen Struktur verl~iuft die Ebene (111) meist parallel zur Unterlage. Aus R6ntgenanalysen wurde festgestellt, dass die hohe Orientierung der senkrecht zur Unterlage liegenden c-Achse des Kadmiums in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2-Molektile abnimmt, und zwar auf Kosten anderer Richtungen. Weiter wurde festgestellt, dass beim polykristallinem CdO die Ebene (111) parallel zur Unterlage verl~iuft (Siehe Abb. 6). Der Anteil der Ioc

,~ B

CdOpa~rlst

o 10-3

10-2

PO-I

[0

IO 2

10 3

104

no od/ne Oz

A b b . 6. P r o z e n t u e l l e r A n t e i l des K a d m i u m s m i t der c-Achse s e n k r e c h t zur U n t e r l a g e und des p o l y k r i s t a l l i n e m C d O in Abh~ingigkeit v o m Verh~iltnis der auffallenden Cd- und O2-Molekiile.

kristallischen Phase in der Schicht wurde ebenfalls mit Hilfe von R6ntgenAnalysen bestimmt und in Abb. 4 eingetragen. Diese Abbildung zeigt deutlich die grossen Unterschiede zwischen den Werten des Oxydationskoeffizienten aus der R6ntgen-Strukturanalyse, den theoretischen Kurven und dem friiher festgestellten experimentellen Verlauf. Diese Unterschiede sind durch die Tatsache zu erkl~iren, dass die Strukturverh~iltnisse durch den Oxydationskoeffizienten der

256

j. HAMERSKY

kristallischen Phase der Schicht bedingt sind. Es mussjedoch vorausgesetzt werden, dass nicht die ganze Schicht kristallin ist, sondern dass in der Schicht ein bestimmter --in unserem Fall ein ziemlich betr~ichtlicher--Anteil der amorphen Phase beider Komponenten existiert, aus denen die Cd- und CdO-Kristalle herauswachsen. Dabei wird die Oxydation in der amorphen Phase wahrscheinlich besser erfolgen als in der kristallischen. Mithin wird der aus den Struktur~inderungen ausgewertete Oxydationskoeffizient in Richtung des abnehmenden Verh~iltnisses der auffallenden Kadmium- und Sauerstoffmolektile verschoben. 3.

EINFLUSS DES SAUERSTOFFES IN DER RESTATMOSPH.~RE BEIM AUFDAMPFEN DES

SELENS

Beim Aufdampfen des Selens hatten die L6cher der Quelle eine Fl~iche von 0,036 cm 2. Auf diese Weise erzielte man eine Sublimation von Molekiilen einer durchschnittlichen Gr6sse von 5,65 Atomen pro Molektil, also tiberwiegend von Ses-, Se 6- und Se~-Molekiilen 3. Die Abh~ingigkeit der Aufdampfgeschwindigkeit des Selens von der Quellentempera-fur ist in Abb. 7 veranschaulicht. Bei diesem Material ist zu sehen, dass tO 3

.i

i0 z

*

Po.z (Tor r) 4 x 10-5 I , S x l O -~ I 5 x l O "4



~ 2 x l O ""

\

A=0,056

cm 2

"%1,, "

o~

\

I0

\

oJ E a

I0-

td 2

I0

1,5

2

2,5

}0 3 x Tq -j ( K -I )

Abb. 7. Aufdampfgeschwindigkeit des Selens in Abh~ingigkeit vonder Unterlagetemperatur.

cd-, Se- UND CdSc-scHICHTBILDUNG.II

257

der Sauerstoff im Bereich des Sauerstoffpartialdruckes <7,2 x 10 -4 Torr keinen Einfluss auf die Aufdampfgeschwindigkeit hat, d. h. es kommt zu keinen messbaren .~nderungen infolge der Oxydation der entstehenden Schicht. Auch die Erh6hung der Molektildichte zwischen der Quelle und der Unterlage ist nicht genug, um eine Streuung des Strahles zu bewirken. Die Massezunahme wurde durch einen Kristall-Dickenmesser und die Schichtdicke durch interferometrische Messungen registriert und somit konnte das spezifische Gewicht der aufgedampften Schichten festgestellt werden, wie in Abb. 8 veranschaulicht ist. Aus dem Verlauf ist ersichtlich, dass das spezifische Gewicht der Schichten mit zunehmender Aufdampfgeschwindigkeit abnimmt. 5 S Sebdk

"%.

,Lf

5

~T

Po(Torr) 2

* I,SxlO-5 • 4 x 1 0 -5 • 1,3xt0-4 • 7,2x I0-4

ICYI

]0

IO2

I0 3

AufGYimpfgeschwindigkeil (~ s-I)

A b b . 8. Spezifisches G e w i c h t d e r S e l e n - S c h i c h t e n in A b h ~ i n g i g k e i t v o n d e r A u f d a m p f g e s c h w i n d i g k e i t .

3.1. Widerstandsabhiingigkeit der Selen-Schichten yon der Aufdampfgeschwindigkeit und dem Sauerstoffpartialdruek Die Dicke der aufgedampften Selenschicht wurde je nach der Aufdampfgeschwindigkeit durch die technischen M6glichkeiten w~ihrend der Sublimation gegeben. Bei Geschwindigkeiten < 1 A s- x bewegte sich der Diekenwert um 500 A und bei Geschwindigkeiten ~ 1 A s- 1 im Bereich von 2000 bis 9000 A. Die spezifischen Widerst~inde der amorphen Selenschicht sind in Abh~ingigkeit

258

J. H A M E R S K ~

l0 ~4

I0 t2

I

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o

ii

o

6

+

llil ic

Eu

I 0 i°

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o

II

It

x

0 A

Po2(Torr)

Am

lle A



o 4 x l O -5 •

i,SxlO -5

• r , 3 x l Q -4 7 , 2 x 1 0 -4

10 8

i0 {

]0.4

JO-3

I0-a

l0 -r

I0

102

no s % , 6 J na 02

9. Spezifischer Widerstand der Selen-Schichten in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Se- und O 2 - M o l e k i i l e .

Abb.

vom Verh~iltnis der auffallenden MolekiJle n, s..... /n, o2 in Abb. 9 eingetragen. Die Abh~ingigkeit vom partialen Sauerstoffdruck ist nicht ausgepr~igt, weil die Werte bei diametral unterschiedlichen Druckwerten sich praktisch nur um eine Gr6ssenordnung unterscheiden. Jedoch ist dieser Wert bei einem Sauerstoff'tiberschuss im Molekfilstrahl um ca. eine Gr6ssenordnung niedriger als bei einer fiberwiegenden Anzahl von Selenmolekiilen. Die Werte der spezifischen Widerst~inde mit den entsprechenden Streuungen sind in Tabelle II enthalten. TABELLE

II

WERTE DER SPEZIFISCHEN WlDERST.~NDE VON SELENSCHICHTEN IN ABHANGIGKEIT VOM SAUERSTOFFPARTIALDRUCK BEIM AUFDAMPFEN

n. s . . . . . / n . o2

p (f2 cm)

Streuung p

< 10 2 > lO-1

2 , 6 x 101° 3 x 10 i1

+ 1,3 x 10 l ° + 2 , 2 x 10 i l

(f~ cm)

Obwohl die Streuwerte bei den Messungen der einzelnen Schichten verh~iltnism~issig gross sind, bewegen sich die Widerst~inde der in einer Sauerstoffatmosph~ire aufgetragenen Schichten um 101° f / c m , w~ihrend die Widerst~inde der Schichten bei auffallenden Selenmolekiilen sich um 1011 C/cm bewegen. Der Verlaufder Widerst~inde deutet an, dass die Schicht den von Sauerstoffges~ittigten Zustand erreicht, wenn im Strahl der auffallenden Molekiile ein Sauerstoff[iberschuss vorhanden ist. In diesem Fall kann man aber nicht sagen, dass es sich um eine SeO2-Schicht handelt, sie kann nur allgemein als eine SeOx-Schicht bezeichnet werden.

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG. II

259

3.2. O p t i s c h e E i g e n s c h a f t e n der S e l e n s c h i c h t e n Z u r M e s s u n g d e r o p t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n v o n Selenschichten w u r d e n n e u n M u s t e r gew/ihlt u n d u n t e r v e r s c h i e d e n e n B e d i n g u n g e n a u f g e d a m p f t . Bei diesen M u s t e r n w u r d e die S p e k t r a l a b h / i n g i g k e i t d e r o p t i s c h e n Durchl~issigkeit gemessen. D i e A u f d a m p f b e d i n g u n g e n u n d die G r u n d p a r a m e t e r sind in Tabelle I I I e n t h a l t e n . TABELLE III GRUNDPARAMETER

DER Z U O P T I S C H E N M E S S U N G E N V E R W E N D E T E N S E L E N S C H I C H T E N

Muster Nr.

na s~,.,,/n~,o2

Po2

Aufdampfgeschwindigkeit (,~ s- 1)

p (f~ cm)

25 26 17 29 9 22 7 10 15

1,3 x 10-4 4,9 x 1 0 - 4 1,8 × 10 - 3 2,2 × 10-2 6,3x 10-2 8,9 x 10-2 5,6 x 10-1 2,2 17,6

7,2 x 10-4 7,2 × 1 0 - 4 1,3 × 10 -4 7,2 × 10 -4 1,5× 10-5 1,3 x 10 -4 4 x l 0 -s 1,5 x 10 -5 1,5 × 10 -5

0,18 0,68 0,49 30 0,73 22,3 81 68 51

2,2 × 1 0 1 ° 2,7 x 101° 3,4 × 10l° 1,9 x 101° 3,6x 10TM 7,3 × 101° 1,9×1011 1,1 x 1011 1,1 x 1011

W e n n a u c h das Selen beziiglich seiner o p t i s c h e n E i g e n s c h a f t e n eine verhSltnism~issig h o h e o p t i s c h e A b s o r p t i o n a u c h i m undurchl~issigen Bereich hat, richtet sich die optische Durchl~issigkeit in der A b s o r p t i o n s k a n t e n u r n a c h d e r e x p o n e n t i e l l e n Abh~ingigkeit. D e r W e r t des A b s o r p t i o n s k o e f f i z i e n t e n n a c h M o s s 4 k a n n in d e r A b s o r p t i o n s k a n t e d u r c h K =

Ko~ E / h v 1 + exp { f l ( E - hv)/kT~}

(5)

a u s g e d r i i c k t w e r d e n , wo fl/kT~ die N e i g u n g der A b s o r p t i o n s k a n t e u n d T~ die S c h i c h t t e m p e r a t u r bei der B e s t i m m u n g des A b s o r p t i o n s k o e f f i z i e n t e n ist. D i e Breite des v e r b o t e n e n B a n d e s b e s t i m m t m a n aus d e m I n f l e x i o n s p u n k t d e r Abh~ingigkeit K v o n v, w e n n m a n die zweite A b l e i t u n g der G1. (5) nach v gleich N u l l setzt. F i i r d e n I n f l e x i o n s p u n k t gelten die Beziehungen E i = hv i K i = K~/2 2'~

8=

{OK~dEll

k-Ui

1

(6)

W e r t e d e r Breite des v e r b o t e n e n B a n d e s aus d e m I n f l e x i o n s p u n k t der Spektralabh~ingigkeit des a m o r p h e n N i e d e r t e m p e r a t u r s e l e n s u n d des kristallischen H o c h t e m p e r a t u r s e l e n s , sowie die fl-Koeffizienten sind in T a b e l l e I V e n t h a l t e n .

260

J. HAMERSK'Y

TABELLE IV O P T I S C H E E I G E N S C H A F T E N DES K R I S T A L L I N E N U N D DES A M O R P H E N SELENS

Material

Krist. Se Amorph. Se

E i (eV)

K (cm- 1)

2,06 2,3

5,36 × 105 4,4× 105

~

E laut Moss 4

0,154 0,136

(eV)

E laut Benoit und Koll. 5 (eV)

2,3 1,8-2,7

1,74 1,86

Bei Gegeniiberstellung der optisch bestimmten Energiewerte des verbotenen Bandes von Selen stellt man lest, dass der gemessene Wert fiir amorphes Selen mit dem anderer Autoren 4 tibereinstimmt. Bei kristallischem Selen bewegen sich die gemessenen Breitwerte des verbotenen Bandes wie in Tabelle IV aufgefiihrt. Auch in diesem Fall befinden sich unsere Messergebnisse in dem oben erw~ihnten breiten Wertintervall (siehe Moss4). Da die Messergebnisse und Ansichten der einzelnen Autoren sehr unterschiedlich sind 4' 5, ist ein eingehender Vergleich mit den eigenen Messwerten nicht m6glich.

3xlO 5 2xlO5 " ~

jos

~

/'%i

o

1 I0-4

I0-3

10.2

i/"'7-I0-

I0

102

rlos%,6~/na 02

Abb. 10. Spezifischer Widerstand und Konstante der GI. (5) in Abhiingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Se- und O2-Molekiile.

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG.II

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3.3. Einfluss des Sauerstoffes auf die optischen Eigenschaften des aufgedampften Selens Es wurden neun bei verschiedenen Sauerstoffpartialdruckwerten aufgedampften Selen-Schichten gew~hlt, die eine breite Verh~iltnisskala von auffallenden Selen- und Sauerstoffmolekiildichten hatten. Sie wurden optischen Durchlassigkeitsmessungen im Wellenbereich 0,4 bis 2,6 ~tm unterzogen (Tabelle III). Bei den oben genannten Mustern wurde der Maximalwert des Absorptionskoeffizienten K~ festgestellt und weiterhin wurde der Breitwert des verbotenen Bandes aus Messungen der Spektralabh~ingigkeit der optischen Absorption bestimmt. Wenn man die Abh~ingigkeiten der Konstanten aus der durch Beziehung (6) ausgedriickten GI. (5) vom Verh~iltnis der auffallenden Selen- und Sauerstoffmolekiile verfolgt, bekommt man die in Abb. 10 dargestellten Kurven. Hier wurde auch der Widerstandsverlauf der ausgew~ilten Muster eingetragen. Man sieht, dass sich die Parameter im Bereich, wo die Anzahl der auffallenden Selenmolekfile gr6sser als die der auffallenden SauerstoffmolekiJle ist, nicht verSndern. In diesem Bereich handelt es sich wahrscheinlich um eine reine Selenschicht mit wenig Sauerstoffmolekiilen. Wenn das oben diskutierte Verh~iltnis der auffallenden Partikel unter eins sinkt, verandern sich alle gemessenen Parameter. Obwohl die Messungen an Mustern durchgef'tihrt wurden, bei denen das Verh~iltnis der auffallenden Selen- und Sauerstoffmolekiile 10 -4 war, ist es nicht gelungen, einen v611ig ges~ittigten Zustand zu erreichen, wie es bei gut oxydierbaren Materialien (z. B. bei A1 oder Cd) der Fall ist. Daraus ist zu schliessen, dass in den Selenschichten die Sauerstoffmenge nach und nach zunimmt. Diese Zunahme ist anfangs sehr steil, sp~iter, bei gr6sserer Sauerstofftibers~ittigung im auffallenden MolekiJlstrahl, steigt die Zunahme langsamer. Aus diesen Grfinden kann aus den angef'tihrten Messungen der Gesamtgehalt von Sauerstoff in der Schicht nicht bestimmt werden, weil man mit der l~bers~ittigung nicht in Bereiche gelangen kann, in denen die Ungleichheit na se/na o~ << 10-4 gilt. In diesem Bereich entsteht schon eine so grosse Streuung der sublimierten Molekiile, dass es praktisch zu keiner Schichtbildung kommt. 4. EINFLUSS DES SAUERSTOFFES IN DER RESTATMOSPH.~*~E BEIM CdSe-AUFDAMPFEN Bei der Bestimmung des Sauerstoffeinflusses auf das Aufdampfen der aus der Verbindung sublimierten CdSe-Schichten wurde die gleiche Methode wie in den beiden vorangehenden Fallen verwendet. Bei der Schiehtsynthese auf der Unterlage .wurde aus den auffallenden Cd-, Se2- und O2-Molekiilen die Entstehung von drei Verbindungen erwogen---CdO, SeOz und CdSe. Wie bereits einleitend gesagt wurde, wird die Anwesenheit der ersten zwei oben angeftihrten Verbindungen in der Schicht bei einem Sauerstoffpartialdruck von weniger als 10 -3 Torr nur in geringen Mengen erwartet. Bei den Berechnungen 1 haben wir einfachheits- und tiberschichtshalber nicht vorausgesetzt, dass in der Schicht auch aufgedampfte Komponenten (d. h. Cd, Sez und Se6) enthalten sein k6nnen. In praktischen Experimenten muss jedoch die Anwesenheit dieser Materialien auch beriJcksichtigt werden.

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J. HAMERSKY

4.1. Einfluss des Sauerstoffes auf die elektrischen Eigenschaften der Restgasatmosphiire beim Aufdampfen Das CdSe wurde bei einem Sauerstoffpartialdruck von ca. 10 -s Torr aufgedampft. Aus den Aufdampfgeschwindigkeiten und den bekannten Sorptionskoeffizienten des aus der Verbindung sublimierten CdSe 6 wurde das Verh~iltnis der auffallenden MolekiJle naco+se/nao2 festgestellt. Aus den auf diese Weise aufgetragenen Mustern wurde der spezifische Widerstand bestimmt. Die Abh~ingigkeit des spezifischen Widerstandes von dem oben angefiihrten Verh~iltnis der auffallenden Molekiile wird ffir verschiedene Unterlagetemperaturen in Abb. 11 gezeigt. I 012

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Abb. 11. Spezifischer Widerstand der CdSe-Schichten in Abh~ingigkeit vom Verhiiltnis der auffallenden Cd + Se- und O2-Molekiile.

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG.II

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Aus den Abh~ingigkeiten der spezifischen Widerstande der Schichten, die auf maximal auf 370 K erw~irmte Unterlagen aufgetragen wurden, k6nnen die Anomalien der Widerst~inde im Bereich 3 × 10- x < na Cd+Sdna o2 < 5 beobachtet werden. Diese Anomalien sind nicht nur vom technischen Standpunkt her zu erkl~iren (geometrische Versuchsanordnung u. dgl.). Bei h6heren Unterlagetemperaturen bleiben die Widerstandswerte fiber den ganzen Bereich der verwendeten Verh~iltnisse von auffallenden Molekiilen in der Umgebung von 2 × 10 4 ~ cm. Sind die Werte der spezifischen Widerst~inde der Komponenten, die laut Voraussetzungen bei der Schichtbildung bzw. bei schichtbildenden Verbindungen partizipieren, wenigstens ann~ihernd bekannt, dann kann aus den Widerstandsverl~iufen in Abb. 11 das Dichteverh~iltnis der Cd- bzw. der Se-Komponenten zu den CdSe-Molekiilen sch~itzungsweise bestimmt werden. Bei kleinen Geschwindigkeiten der Schichtbildung, d. h. beim Verh~iltnis der Widerstandswerte nacd+se/n, o2<< 1, findet man den spezifischen Schichtwiderstand nRher bei PCdSe,weil die friiheren Messungen 7 zeigen, dass sich in der Schicht ca. 1 ~ Komponentenmolekiile befindet. Der Widerstandswert PCdSe wurde also aus Abb. 11 abgeschatzt (PCdSe~2× 104 f~ cm). Diesen Wert kann man auch im Bereich der Widerst~inde derjenigen Muster finden, die bei Temperaturen oberhalb von 500 K hergestellt wurden, wo nur die CdSe-Bildung vorausgesetzt wird. Fiir die Anzahl der elektrischen Ladungstr~iger kann man schreiben p = y PCd+(1--y) PCds~+Y PSe

(7)

Aus dieser Beziehung kann der Wert des Verhaltnisses y berechnet werden und nach Vernachl~issigung kleiner Kenngr6ssen bekommt man den Ausdruck Y--- nose _ 1-p/Pcds~ _ 6,65 x 10 -4 ne CdS~

(8)

1 -- Ps¢/Pcds~

Aus dem auf diese Weise berechneten Verh~iltnis und unter Kenntnis der elektrischen Eigenschaften der einzelnen Verbindungen kann das Verh~iltnis riSe/r/CaSe in der Schicht berechnet werden. Der Wert dieses Verh~iltnisses betragt in unserem Fall 4 × 10 -2. Er liegt also in der Umgebung der aus Nuklationseigenschaften und anomalen Verl~iufen von Desorptionskurven 7 erhaltenen Werte. 4.2. Optische Eigenschaften der in der Sauerstoffrestgasatmosphiire aufgedampften CdSe-Schichten

Aus der Spektralabh~ingigkeit der optischen Schichtabsorption wurden die Absorptionskanten festgelegt und durch eine Extrapolation der Absorption auf Null wurde die Energie des verbotenen Bandes bestimmt. Die Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd+Se- und Oz-Molekiile ist in Abb. 12 veranschaulicht. Als Parameter dient in dieser Abbildung die Unterlagetemperatur beim Schichtauftragen. Eine Analyse der in dieser Abbildung gezeigten Kurvenverl~iufe ergibt, dass bei niedrigen Unterlagetemperaturen wahrscheinlich zuerst nur amorphes Selen in den Schichten vorhanden ist, und erst bei h6heren Tern-

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Abb. 12. Energie der Breite des verbotenen Bandes bei CdSe-Schichtenin Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Cd + Se- und O2-Molektile. peraturen (um 420 K) dann CdSe. W~ihrend des Aufdampfens ensteht bei zunehmender Unterlagetemperatur eine gemischte Struktur bei sich verringernden Sauerstofffiberschiissen im auffallenden Molekfilstrahl. Die Energie des verbotenen Bandes steigt bei solchen Schichten fiber 2 eV. In diesem Unterlagetemperaturbereich kann CdO und kristallisches Selen in der Schicht vorausgesetzt werden, wenn man berticksichtigt, wie aus elektrischen Messungen folgt, dass in der Schicht ein bestimmter Prozentanteil von Cd- und Se-Molekfilen verbleibt, die kein CdSe gebildet haben. Unter dem Einfluss des Sauerstoffes im auffallenden Molekfilstrahl kann dann bei h6heren Unterlagetemperaturen w~ihrend der Schichtbildung CdO entstehen.

4.3. Roentgen-Strukturanalyse der CdSe Schichten Die Roentgen-Strukturanalyse wurde an Schichten durchgeffihrt, die bei verschiedenen Wachstumsgeschwindigkeiten auf der Unterlage bei einer Temperatur von 520 K und einem Partialdruck des Sauerstoffes von 3,2 × 10 -4 Torr gebildet wurden. Es wurde festgestellt (wie aus Abb. 13 ersichtlich ist), dass die mit Geschwindigkeitswerten unterhalb 1 A s -1 aufgetragenen Schichten eine Feinstruktur ohne Orientation haben. Bei zunehmenden Geschwindigkeiten erscheint eine Textur mit einer Vorzugsorientierung der Ebene (002) parallel zur Unterlage, d. h. mit der hexagonalen c-Achse senkrecht zur Unterlage und mit kleineren Mengen anderer Phasen, n~mlich der Ebenen (101), (103), (212) und (302). Bei Aufdampfgeschwindigkeiten fiber 1000 /~ s -1 steigen vor allem die Intensit~ten der Ebene (302) gegenfiber (002). Neben dieser CdSe-Hauptkomponente haben wir in den Roentgenbildern breite Linien bei kleinen Winkeln entdeckt, die man den Cd- bzw. CdO-Ver-

Cd-, Se- UND CdSe-scHICHTBILDUNG.II

265

80 70

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Abb. 13. Strukturanalyse von CdSe-Schichten bei verschiedenen Wachstumsgeschwindigkeiten, Unterlagetemperatur 520 K und beim Partialdruck des Sauerstoffes beim Aufdampfen von 3,2 x 10-4 Torr.

bindungen nicht zuorden kann. Ihre Lage entspricht aber nach den ASTM Tabellen den Interferenzlinien einer CdSeO3.SeO2-Verbindung. Vor allem bei den gr6ssten Aufdampfgeschwindigkeiten fiber 500 A s-1 sind diese Anomalien sehr gut zu sehen. Wenn in der Schicht CdO enthalten ist, ist die Substanz entweder amorph, oder ihre Konzentration ist << 1%.

4.4. Auswertung der beim CdSe-Aufdampfen in Sauerstoffatmosphiire erhaltenen Ergebnisse Die in den vorgehenden Kapiteln aufgeFtihrten Messungen lassen eine Zusammenfassung des CdSe-Verhaltens beim Aufdampfen in Sauerstoffatmosph~ire zu. Roentgenographisch wurde festgestellt, dass die Schiehten bei sehr kleinen Wachstumsgeschwindigkeiteneine Feinstruktur ohne Orientierung haben. Erst bei Aufdampfgeschwindigkeitenoberhalb von ca. 1/~ s- a beginnt die Bildung eines Gitters, welches roentgenographiseh identifizierbar ist. Bei optischen Messungen bis zu 370 K bekommt man im ganzen Bereich der Aufdampfgeschwindigkeit die Breite des dem amorphen Selen entsprechenden verbotenen

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Bandes, die sich bei h6heren Geschwindigkeiten den Werten fiir CdSe und Se n~ihert. Daraus geht hervor, dass in der bei Raumtemperatur der Unterlage aufgedampften Schicht auch Kadmium anwesend gewesen sein muss, wenn in der Schicht freies Selen gefunden wurde und der Koeffizient der Schichtdesorption praktisch gleich Null ist. Wenn man die Unterlagetemperatur erh6ht, beginnt bei kleinen Aufdampfgeschwindigkeiten die durch die optische Methode festgelegte Breite des verbotenen Schichtbandes zu steigen. Es kann angenommen werden, dass die Bildung des CdO in der Schicht beginnt, da die Reaktionsgeschwindigkeiten der CdSeBindung wahrscheinlich noch nicht besonders hoch sind. Der Anstieg der Breitwerte des verbotenen Bandes verschiebt sich in Obereinstimmung mit den Vorstellungen fiber den Einfluss des Sauerstoffes auf die CdO-Bildung proportional zur Unterlagetemperatur; je h6her die Unterlagetemperatur ist, desto kleiner sind die t'firdie CdO-Bildung notwendigen Obers~ittigungen der auffallenden Sauerstoffmolekfile. Aus den oben angeFtihrten Eigenschaften des CdSe- Verhaltens kann unter bestimmten Bedingungen auch die Anomalie erkliirt werden, die in den spezifischen Widerst~inden der bei Raumtemperaturen der Unterlage aufgetragenen Schichten erscheint. Aus den in dieser Arbeit angeffihrten Messungen und auch aus frtiher durchgef'tihrten Messungen geht hervor, dass in den Schichten, die bei Unterlagetemperaturen unter 500 K aufgetragen wurden, heterogene Schichten vorausgesetzt werden mfissen, deren Zusammensetzung sich mit der Temperatur ~indert. Neben der Hauptkomponente CdSe kann besonders bei niedrigen Aufdampfgeschwindigkeiten auch amorphes Selen in der Schicht vorausgesetzt werden. Da der Desorptionskoeftizient in der N~ihe der Raumtemperatur praktisch gleich Null ist, muss in der Schicht bei einem st6chiometrischen Strahl des aus der Verbindung sublimierten Kadmiums und Selens auch die zweite Komponente vorausgesetzt werden, n~imlich Kadmium. Bei niedrigen Aufdampfgeschwindigkeiten ist die Beweglichkeit der Molektile auf der Oberfl~iche der entstehenden Schicht sehr klein und es kommt zur Bildung einer Cd + SeMischung, die sich nach aussen mit ihren elektrischen und optischen Eigenschaften als eine Selenschicht erweist. Zu dieser Tatsache kann auch der Umstand beitragen, dass beide Molekfilarten, dank ihrer Gr6sse, praktisch dieselbe Beweglichkeit besitzen. Bei Steigerung der Aufdampfgeschwindigkeit erh6ht sich auch die Molekfilenergie auf der Oberfl~iche der entstehenden Schicht und es kommt zur Bildung einer kristallinen Phase des CdSe; eventuell kann in Verbindung mit Sauerstoffauch CdO oder CdSeO3.SeO2 entstehen. Das Kadmium kann in Form yon Metall oder Oxid eine leitende Verbindung im gesamten Schichtdurchschnitt bilden und dadurch kann der Schichtwiderstand sehr stark herabgesetzt werden (urn 5 bis 6 Gr6ssenordnungen). Bei weiterem Anstieg der Aufdampfgeschwindigkeit w~ichst auch die Beweglichkeit der auffallenden Molekiile und auf Kosten der fibrigen Komponenten, vor allem der freien Cdund Sex-Molekfile, beginnt in gr6sserem Umfang die CdSe-Bildung. Dies wird in Abb. 12 durch die Breite des verbotenen Bandes und durch R6ntgenbeobachtungen in Abh~ingigkeit vom Verh~iltnis der auffallenden Molekfile bewiesen. Dadurch kommt es natfirlich zu niedriger orientierten Schichten und zum erneuten

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steilen Anwachsen der spezifischen Schichtwiderst~inde. Durch Erh6hung der Unterlagetemperatur bei der Schichtbildung oberhalb 500 K verschwinden diese Anomalien, weil es sich hier um den Bereich handelt, der oberhalb der kritischen Unterlagetemperatur der Komponente liegt. Oberhalb dieser kritischen Unterlagetemperatur k6nnen in der sich bildenden Schicht nur CdSe- bzw. m6gliche Komponentenoxide anwesend sein, wie in Abb. 13 veranschaulicht ist. 5. ZUSAMMENFASSUNG Einige der an Cd-, Se- und CdSe-Schichten durchgefiihrten Messungen wurden zur Prfifung des Verhaltens der oben genannten Materialien herangezogen und zwar im Hinblick auf die Sauerstoffmenge in der Restatmosph~ire bei der Schichtbildung. Im Fall des Kadmiums wurde eine sehr gute (Sbereinstimmung mit den theoretisch abgeleiteten Abh~ingigkeiten 1 und den praktischen Messungen festgestellt. Der Oxydationskoeiiizient wurde auf zweierlei Weise ermittelt und es wurde festgestellt, dass die Schicht einen ziemlich grossen Prozentgehalt der amorphen Phase enth~ilt, in der das CdO eher als in der kristallischen Phase entsteht. Der Einfluss des Sauerstoffes bei der Bildung der Selen-Schichten ist in l~bereinstimmung mit theoretischen Aussagen wesentlich niedriger als bei Kadmium. Der Sauerstoff ist offensichtlich in sehr kleinen Mengen in die Schicht eingebaut und der beliebig grosse Sauerstoff'tiberschuss im auffallenden Molekiilstrahl fiihrt nicht zur Bildung einer neuen Phase oder eines ges~ittigten Zustandes. Den kompliziertesten Fall findet man bei CdSe, wo man in den vorwiegend bei Raumtemperaturen aufgedampften Schichten die Bildung einer heterogenen Schicht antreffen kann, die aus den auffallenden Komponenten, aus Verbindungen des CdO- und CdSeOa.SeO2-Types besteht, wobei selbstverst~indlich CdSe die Hauptkomponente ist. Die R6ntgenbilder zeigen klar die kristalline CdSe-Phase mit Vorzugsorientierung der c-Achse senkrecht zur Unterlage. Durch die eventuelle Anwesenheit der niederohmigen Komponenten, vor allem des Cd und CdO in den bei Raumtemperaturen und bei bis auf ca. 400 K erh6hten Temperaturen aufgedampften Schichten, kann die im Verlauf der Widerst~inde entdeckte Anomalie erklSrt werden, die mit steigender Unterlagetemperatur beim Aufdampfen der CdSe-Schichten aus der Verbindung verschwindet. BEMERKUNG Diese Arbeit entstand im Verlauf der L6sung einer Grundforschungsaufgabe im Forschungsinstitut fiir elektrotechnische Keramik in Hradec Krfilov6, (~.S.S.R. Sie wurde vom Institut f'tir Radiotechnik und Elektronik der (~.S.A.V. in Prag dotiert. LITERATUR 1 ' J. Hamersk3~,Einflussdes Sauerstoffpartialdruckesbei der Schichtbildungaus dem auffallenden Molekiilstrahl: I. Ableitungder Grundbeziehungenund AuswahlgeeigneterMaterialienf'tirdas Experiment, Thin Solid Films, 29 (1975) 237-248.

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J. HAMERSK~"

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