ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................8
ГЛАВА I. ЭЛЕКТРО ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СйхЩихТе И ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ
(Литературный обзор)............................ 13
1Л. Свойства твердых растворов СсІІН^Те..................13
1.1.1. Зонная структура Ссі^Те....................13
1.1.2.Ширина запрещенной зоны.....................14
1.1.3.Эффективные массы носителей.................16
1.1.4.Концентрация носителей в зонах..............18
1.1.5. Время жизни носителей заряда...............20
1.1.6. Подвижность носителей заряда в СсіЕ^Те.....24
1.2 Основные характеристики фотодиодов на основе
сан§те..............................................29
1.2.1 .Технология изготовления фотодиодов.........29
1.2.2.Вольт-амперные характеристики диодов на основе СсіІ-^Те...................................30
1.2.3. Токи утечки по поверхности.................33
1.2.4.0бнаружительная способность фотодиодов на
основе Сс1Н§Те.................................40
1.3. Основные результаты, полученные по исследованию характеристик диодов на основе Сс1Н§Те и их деградации при механических и температурных воздействиях............................................41
ГЛАВА II. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1. Технология изготовления п-р переходов на основе СсИ^Те....................................................46
2.1.1. Технология изготовления п-р переходов на основе объемных кристаллов СсШ§Те..................46
2.1.2. Технология изготовления п-р переходов на гетероэпитаксиальных пленках Сс1Н§Те.............. 47
2.2. Экспериментальные методы исследования границы раздела СёЕ^Те - 8Ю2813Ы4.................................47
2.2.1. Эллипсометрический метод................... 48
2.2.2. Масс-спектрометрия вторичных ионов..........49
2.2.3. Методика электрофизических измерений
МДП структур................................5 1
2.2.4.Методика измерений электрофизических параметров диодов..................................53
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ п-р ПЕРЕХОДОВ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ
C^MigTe/G,dAs....................................55
ВВЕДЕНИЕ.................................................55
3.1. Исследование п-р переходов, полученных методом термодиффузии ртути из анодного окисла на
подложках МЛЭСб^Те р-типа............................56
Заключение...........................................66
3.2. Расчет энергетической диаграммы перехода и
определение энергетического уровня ловушки......... 68
3.2.1. Расчет зависимости положения уровня Ферми
от температуры...............................68
3.2.2. Расчет зависимости концентрации основных и неосновных носителей в р и п типе Сс1Н£Те
от температуры...............................70
3.2.3. Расчет энергетический диаграммы п-р перехода и определение энергетического уровня ловушки ....................................72
Заключение..........................................84
3.3. Влияние давления на характеристики п-рпереходов,
изготовленных на пленках МЛЭ Сс1Н§Те................85
Заключение..........................................95
у 3.4. Исследование диодов, изготовленных на
гетероэпитаксиальных пленках С(1Н§Те с различной
л концентрацией акцепторов............................96
Заключение.........................................106
3.5. Выводы главы III...................................107
ГЛАВА VI. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК п-р ПЕРЕХОДОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ НА ОБЪЕМНЫХ КРИСТАЛЛАХ С6Н£Те.................................110
ВВЕДЕНИЕ................................................110
4.1. Исследование характеристик п-р переходов,
изготовленных на основе oбъeмнoгoCdHgTe............1 12
Заключение.........................................123
4.2. Влияние температурных воздействий на параметры
границы раздела Сс1Ь^Те - (ЗЮг^з^).................125
Заключение.........................................134
4.3. Влияние температурного воздействия на параметры п-
р переходов, изготовленных на объемных кристаллах
СсШёТе............................................135
Заключение........................................142
4.4. Выводы главы VI..................................143
ГЛАВА V. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................................147
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................152
5
Список обозначений
£^- ширина запрещенной зоны Т - температура
Яс0 - граничная длина волны фотоприемника
рпр - подвижность электронов в полупроводнике р-типа
црп - подвижность дырок в полупроводнике п-типа
Мс- эффективная плотность состояний в зоне проводимости
— эффективная плотность состояний у потолка валентной зоны тп0 - масса свободного электрона
тп0 - эффективная масса электронов тМх - эффективная масса тяжелых дырок
- эффективная масса легких дырок
£$ - относительная статическая диэлектрическая проницаемость Боо - относительная высокочастотная диэлектрическая проницаемость
е - диэлектрическая проницаемость вакуума
ппо ~ равновесное значение концентрации электронов в зоне
проводимости
Рро - равновесное значение концентрации дырок в валентной зоне Е/п - уровень Ферми для электронов Е/р - уровень Ферми для дырок - собственная концентрация т- время жизни носителей
тА - время жизни носителей по-отношению к Оже рекомбинации
Г/? - излучательное время жизни носителей
т§.к - время жизни носителей, по-отношению к рекомбинации
Шокли-Рида
тпр - эффективное время жизни электронов в полупроводнике р-типа
трп - эффективное время жизни дырок в полупроводнике п-типа Ма - концентрация акцепторов - концентрация доноров Ес - энергетическое положение зоны проводимости Еа - энергетическое положение доноров Еу - энергетическое положение валентной зоны Е0 - энергетическое положение акцепторов Е, - энергетическое положение ловушек <7п - сечение захвата электрона на уровень ловушки <7Р - сечение захвата дырки на уровень ловушки У^ - тепловая скорость электрона У^ - тепловая скорость дырки Е, - положение собственного уровня Ферми Л/ - диффузионный ток в п-р переходе 1§г - геиерационно-рекомбинационный ток в п-р переходе V- напряжение смещения Уы - контактная разность потенциалов Е - напряженность электрического поля У/ь - напряжение плоских зон в МДП структуре С/ь -емкость плоских зон в МДП структуре Су - емкость диэлектрика в МДП структуре О,/* -фиксированный заряд в диэлектрике IV - ширина области пространственного заряда IVт- максимальная ширина области обеднения Спйп ~ минимальный уровень емкости МДП структуры площадь электрода в МДП структуре Р - толщина диэлектрика
- плотность заряда в поверхностных состояниях Л’,, - плотность медленных состояний на границе раздела - скорость поверхностной рекомбинации хр — ширина обеднения р-области п-р перехода хп - ширина обеднения п-области п-р перехода С/ш - проводимость МДП структуры
м - частота переменного сигнала, подаваемого на структуру Сп и Ср - коэффициенты захвата электронов и дырок, соответственно, на уровень ловушки
Я0 - дифференциальное сопротивление диода при нулевом смещении
А - площадь п-р перехода
8
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В инфракрасном (ИК) диапазоне имеется два окна прозрачности атмосферы - 3...5 и 8-14 мкм, на которые ориентируются разработчики фотоприемников. В диапазоне З...5мкм широкое применение в качестве чувствительных элементов получили фотоприемники на основе антимонида индия. Разработка тепловизионных приборов, предназначенных для контроля тепловых полей в спектральном диапазоне 8...12мкм главным образом проводится на основе полупроводниковых твердых растворов С<1хЬ^1_хТе. Приемниками излучения могут быть фоторезисторы, МДП структуры, фотодиоды, наиболее перспективными из которых являются фотодиоды. Одним из основных параметров, определяющих качество фотодиодов является произведение где ^-дифференциальное
сопротивление диода при нулевом смещении. А - его площадь. Величина Я0А чувствительна к смене механизма протекания тока через переход. Чтобы оптимизировать эту величину необходимо изучить механизмы переноса заряда в диодах. Основными механизмами переноса заряда в диодах являются диффузионные, генерационно-рекомбинационные и туннельные токи, как в объеме полупроводника, так и вблизи поверхностей. Источником информации для исследования этих механизмов могут являться зависимости тока и дифференциального сопротивления диодов от температуры и напряжения смещения.
Механизмы переноса заряда в диодах, изготовленных на объемных кристаллах СсИ-^Те, достаточно хорошо изучены. Их параметры обычно ограничены поверхностными токами утечек, вызванными наличием центров вблизи поверхности СсИ^Те-диэлектрический слой. Наличие этих центров на границе раздела
Сс1Н§Те - диэлектрик и до настоящего времени остается одной из существенных проблем изготовления диодов. В связи с этим, перспективным является изготовление диодов на слоях СсИ-^Те, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), так как этот метод позволяет увеличивать ширину запрещенной зоны полупроводника вблизи поверхностей увеличением содержания СбТе в пленке и, таким образом, уменьшать влияние поверхностного заряда на характеристики диодов. Однако, существуют некоторые технологические проблемы при присоединении фотоприемной матрицы на МЛЭ СбН^Те с кремниевым коммутатором. Соединение обычно осуществляют через индиевые микростолбы, напыляемые как на матрицу, так и на коммутатор при механическом сдавливании столбов при комнатной температуре, либо без сдавливания при температуре плавления индия (150°С). Однако, и механическое и температурное воздействия могут приводить к изменению характеристик диодов, расположенных под столбами.
Необходимо исследование механизмов переноса заряда в МЛЭ СсШёТе диодах, так как на данный момент они еще недостаточно изучены. Кроме этого, необходимо дополнительное исследование влияния механического и температурного воздействия на изменение механизмов переноса заряда в СбЬ^Те диодах.
Мелью работы являлось исследование особенностей
механизмов переноса заряда в п-р переходах на основе гетероэпитаксиальных слоев СбЩТе/СаАБ, объемных кристаллов Сс1Н§Те и их изменений при механическом и температурном воздействиях.
10
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлено, что механизмы переноса заряда в п-р переходах на гетероэпитаксиальных слоях СбЬ^Те, выращенных на подложках ваАБ, определяются диффузионными, генерационно-рекомбинационными и туннельными
механизмами. Показано, что поверхностные утечки в этих структурах пренебрежимо малы;
- предложен метод контроля ловушек в СбР^Те но характеристикам дифференциальной проводимости диодов от напряжения и метод нахождения энергии их залегания по
■ экстремумам, соответствующим туннелированию электронов через уровни ловушек при прямом смещении на диоде;
- обнаружено 3 типа ловушек в гетероэпитаксиальных слоях, выращенных на подложках ваАБ;
- определено, что 2 типа ловушек из обнаруженных связаны с дислокациями в гетероэпитаксиальных слоях СсШ^Те;
- установлено, что ЯоА диодов на гетероэпитаксиальных слоях С(1Н§Те (х=0.22) определяется диффузионными механизмами токопрохождения в рабочем диапазоне температур;
- найден способ химической очистки поверхности СбЩТе от примесей во фторсодержащем травителе, который позволил уменьшить плотность состояний вблизи поверхности, улучшить однородность характеристик диодов и на порядок увеличить их фогочувстительность;
-обнаружен эффект изменения величины и знака заряда на границе раздела СбН§Те-диэлектрик при отжиге в вакууме перед нанесением диэлектрических слоев;
- установлено, что деградация диодов при температурном воздействии происходит вследствие образования вблизи поверхности центров рекомбинации.
Практическая ценность. Предложен метод определения энергии залегания ловушек в диодах на основе СбН^Те. Найдены способы управления зарядом на границе раздела СбН^Те-диэлектрик в процессе химических и термических обработок. Показано, что увеличение степени легирования р-области перехода является одним из способов повышения ЯоА фотодиодов на основе МЛЭ СбН^Те.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Энергии залегания ловушек в диодах на основе МЛЭ Сб^Те/ОаАБ, определенные из максимумов на зависимости дифференциальной проводимости, связанных с туннелированием носителей, составляют Е1=0.32Е?, Е,=0.4Е2, ЕЕ=0.55Ее
2. Туннельный гок через ловушки с энергиями залегания Е1=0.32ЕВ, и Е,20.4Е8 увеличивается при механическом воздействии на диоды. Предполагается, что эти ловушки связаны с дислокациями в МЛЭ СбН§Те.
3. Уменьшение плотности зарядовых состояний вблизи границы раздела СбЩТе - достигается химической обработкой поверхности СбН^Те во фторсодержащем растворе.
4. Знак заряда на границе раздела СбН^Те - диэлектрический слой может быть изменен с положительного на
12
отрицательный посредством отжига в вакууме перед нанесением диэлектрических слоев. Изменение знака заряда объясняется испарением ртути из естественного окисла.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 7ом Международном симпозиуме по пассивации (Германия, 1994), 2-ой Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996), IV Международной конференции по материаловедению и ИК оптоэлектронике (Киев, 1998), на конференции по Н-1У полупроводникам (Германия, 1999), на IV Конференции по узкозонным полупроводникам (Берлин, 1999), на IV Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и списка литературы. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 101 наименование. Общий объем диссертации 150 страниц, она разделена на 5 глав, введение и заключение.
13
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Сс1хНё1.хТе И ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Тепловизоры - это системы, которые предоставляют возможность человеку вести наблюдение за живыми и неживыми предметами в темноте. В основе большинства современных тепловизоров лежат полупроводниковые многоэлементные
фотоприемные устройства, изготовленные на базе узкозонных
полупроводниковых соединений ІпБЬ, іпАб, CdHgTe, квантовых ям в системе СаАз/АЮаАз или ОаЛв/ІпОаР и др. Твердые растворы Сс1хНё1_хТе являются основным материалом для создания приемников в спектральном диапазоне 8... 12 мкм. Этот материал выгодно отличается от других^ так как дает возможность, варьируя состав х, подбирать граничную длину волны АСо фотоприемников. Кроме этого приборы на его основе отличаются высокой квантовой
эффективностью. Для определения характеристик фотоприемников необходимо знание наиболее важных свойств CdxH.gi.xT е: концентрации, подвижности и времени жизни носителей тока, их зависимости от состава и температуры.
1. I СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ CdxHgl_xTe
1.1.1. Зонная структура СсіІ^Те
Е^Те и СйТе - бинарные соединения, обладающие
неограниченной взаимной растворимостью и образующие твердые
растворы СбхТ^}_хТе. Твердые растворы СсіхІ-^і_хТе переменного состава х кристаллизуются в структуру сфалерита с расположением атомов металла в узлах одной гранецентрированной решетки,
а атомов теллура в другой, сдвинутой относительно первой в
- Київ+380960830922