Электрофизические и фотоэлектрические характеристики МДП-структур на основе гетероэпитаксиального варизонного HgCdTe, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии, с различными диэлектриками

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................5
1. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ МДП-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ І^СсІТс....................................................15
1.1 Фундаментальные свойства ^СсГГе........................15
1.2 Методы получения ЩСсІТе................................23
1.3 Детекторы на основе ЩСсіТс.............................29
1.4 Пассивация детекторов на основе Н^СсІТе................34
1.5 Электрические характеристики МДП-структур на основе ^С<1Те..43 2 ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА..........................56
2.1 Образцы................................................56
2.2 Экспериментальные установки............................71
2.3 Методики измерении электрических характеристик.........76
2.4 Расчет элементов эквивалентной схемы полупроводника из измеряемых величин емкости и проводимости МДП-струкэуры с учетом сопротивления объема.......................................78
3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР~ НА ОСНОВЕ ГЭС МЛЭ І^СсІТе..................................83
3.1. Расчет ВФХ с учетом вырождения и нснараболичности.....84
3.2 Расчет волы-фарадных характеристик МДП-структур на основе ЩСсГГе с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом...................................................92
3.3 Анализ влияния сопротивления объема эпитаксиальной пленки полупроводника на измеряемые методом полной проводимости параметры МДП-структуры...................................105
3.4 Расчет компонент темпового тока неосновных носителей в инверсии 111
4. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-СТРУКТУР НА ОСНОВЕ
ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНОГО ЩСсіТе МЛЭ С НЕОДНОРОДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ СОСТАВА....................................120
4.1. Влияние приповерхностных варнзонных слоев с повышенным составом на электрофизические харакгеристики МДП-структур на основе ГЭС НйСсГГе МЛЭ....................................120
з
4.1.1. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур на основе n-HgCdTe МЛЭ при х=0.21-0.23............................121
4.1.2. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур на основе
n-HgCdTe МЛЭ при х=0.29-0.38..............................130
4.13. Вольт-фарадные характеристики МДП-структур на основе
p-HgCdTe МЛЭ при х=0.22 и 0.30............................135
4.1.4. Влияние подсветки на вольт-фарадные характерне гики МДП-структур на основе ГЭС HgCdTe МЛЭ.......................139
4.2 Влияние приповерхностных варизонных слоев с повышенным составом на фотоэлектрические характеристики МДП-структур на основе ГЭС HgCdTe МЛЭ.......................................146
4.2.1 Зависимости фотоЭДС от напряжении смещения..........146
4.2.2. Зависимости фотоЭДС от частоты модуляции интенсивности светового потока........................................158
4.2.3. Зависимости фотоЭДС от температуры.................163
4.3 Электрофизические и фотоэлектрические характеристики МДП-структур с неоднородными распределениями состава по толщине эпитаксиальной пленки.......................................171
4.3.1. МДП-структуры на основе р-HgCdTe (х=0.22) с различными профилями состава в варизонном слое.....................172
4.3.2. МДП-структуры на основе п-HgCdTe (х=0.29-0.31) с периодически расположенными областями с резко повышенным составом................................................177
5. СВОЙСТВА ГРАНИЦ РАЗДЕЛА ВАРИЗОНИОГО HgCdTe С
РАЗЛИЧНЫМИ ПАССИВИРУЮЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ........................187
5.1. Особенности вольт-фарадных характеристик МДП-структур на
основе ГЭС HgCdTe МЛЭ с различными диэлектриками............187
5.2 Методики определения параметров границ раздела..........203
5.3. Результаты расчета параметров границ раздела...........206
Выводы......................................................214
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................217
%
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................222
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................241
4
Список условных сокращений и обозначений АОП -анодно-окисная пленка
ВФХ -вольт-фарадная характеристика
ВЧ -высокочастотный, высокочастотная
ГЭС -гетероэпитаксиальная структура
ЖФЭ -жидкофазная эпитаксия
ИК -инфракрасный
КРТ - твердые растворы теллуридов кадмия и ртути
МДГІ-структура -структура металл - диэлектрик - полупроводник
МЛЭ -молекулярно-лучевая эпитаксия
МОП-струкгура -структура металл - окисел - полупроводник
МОС -метеллоорганичсские соединения
НЧ -низкочастотный, низкочастотная
ОПЗ -область пространственного заряда
ПЗИ -приборы с зарядовой инжекцией
ПЗС' -приборы с зарядовой связью
ПФЭ -парофазная эпитаксия
CV - вольт-фарадная характеристика
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время Н&Сб1.хТе является основным материалом для создания высокочувствительных инфракрасных матриц фотодиодов и фоторсзисторов для спектральных диапазонов окон прозрачности атмосферы 3-5 и 8-12 мкм. Структуры на основе Н&Сс^хТе перспективны для создания целого ряда приборов электроники и фотоники: лавинных фотодиодов, лазерных диодов, поверхностно-излучающих лазеров, фотодетекторов на основе поверхностно-барьерных структур, включая монолитные многоэлементные приборы [1|. Благодаря своим фундаментальным свойствам Н§хСс1]_хТе может использоваться для создания многоцветных фотоприемников, а также детекторов, действующих как в ближней инфракрасной области (1-3 мкм) [2], так и в дальней инфракрасной области (> 20 мкм) [3]. Долгое время не удавалось использовать потенциальные преимущества данного материала при создании новых типов приборов электроники и фотоники из-за серьезных технологических проблем, присущих материалу, полученному объемными методами, для которого типична неоднородность, нестабильность свойств, невысокая воспроизводимость параметров структур [4].
Метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) Г^1_хСс1хТе наряду с широко распространенным методом жидкофазной эпитаксии предоставляет новые возможности создания монолитных вариантов фотоприемных устройств, которые включают в себя систему обработки сигнала, а также новых классов приборов (двухцветных, многоцветных, лазерных структур) на основе 1^!.хСс1х'Ге. Преимущества молекулярно-лучевой эпитаксии Н§1_хСЧ1хТе заключаются в возможностях контролируемого изменения состава при выращивании сложных приборных структур, высокой воспроизводимости процессов при увеличении степени автоматизации, малой толщине контролируемого слоя (порядка одного монослоя), возможностях получения поверхностей с гладким рельефом, более низкой температуре подложки при выращивании [5].
• « а
В настоящее время уже распространенно создание структур с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом при выращивании материала 1-^1.хСс1хТе для матриц инфракрасных фотодиодов. Варизонные слои позволяют улучшить пороговые характеристики (например,
обнаружительїіую способность) детекторов путем снижения роли поверхностной рекомбинации и туннельной генерации, а также уменьшить последовательное сопротивление фотодиодов на основе І^.хС(ІхТе [5].
Актуальность исследуемой проблемы определяется необходимостью пассивации поверхности приборов оптоэлсктроники на основе ї-^і_хСс1хТе (фотоприемных и светоизлучающих структур для различных спектральных диапазонов). Новые типы приборов на основе эпитаксиального варизонного Ь^СсІТе нуждаются в пассивации поверхности [6, 7], для чего необходимо определение параметров границы раздела Н§|.хСс1хТе с различными диэлектриками из исследований электрофизических характеристик поверхностно-барьерных структур. Но в настоящее время не имеется разработанных моделей формирования электрических характеристик МДП-структур на основе варизонного ї^.хС<ІхТе, а опубликованные недавно результаты экспериментальных исследований свойств МДП-структур на основе МЛЭ Н§|.хСбхТе с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом не носят систематического характера, и не дают полной картины функционирования таких структур 18, 9]. Использование гетероэпитаксиальных (ГЭС) варизонных структур с оптимизированным распределением состава предоставляет также возможности создания монолитных сенсоров на основе Ы^СсГГе [10], в том числе на основе повсрхносгно-барьсрных структур [11].
В настоящее время отсутствуют данные о свойствах границ раздела варизонного гетероэпитаксиального 1^|.хСс1хТе, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии (ГЭС 1^і.хС(іхТе МЛЭ), с различными диэлектрическими покрытиями, а также не разработаны методики определения свойств пассивирующих покрытий при помощи измерений электрофизических и фотоэлекфических характеристик МДП-структур на основе варизонного МЛЭ Ь^.хСбхТе. Следовательно, не выбраны оптимальные пассивирующие покрытия для различных типов приборов на основе варизонного МЛЭ Щ|.хСс1хТе.
Цель настоящей работы - исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик МДП-структур на основе ГЭС Ь^|.хСс1хТе МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями повышенного состава и определение
7
параметров границ раздела варизонного Hg]_xCdxTe МЛЭ с различными пассивирующими диэлектрическими покрытиями.
Объектом исследований данной диссертационной работы являются гетероэпитаксиальные структуры HgCdTe, выращенные методом молекулярно лучевой эпитаксии на подложках из GaAs в ИФП СО РАН г. Новосибирск в лаборатории технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений Л2Вб. Для согласования кристаллических решеток GciAs и HgCdTe, на подложке выращивались буферные слои ZnTe толщиной (0.05-0.1) мкм и CdTe толщиной (6.2-6.4) мкм. В процессе выращивания с обеих сторон эпитаксиальных пленок Hgi.xCdxTe (х=0.21-0.38) толщиной (4.1 - 12.4) мкм, создавались эпитаксиальные слои с переменным составом CdTe (широкозонные варизонные слои), а состав на поверхности достигал 0.58. Исследования проводились также на структурах с выращенными периодически расположенными тремя областями “барьерного типа” с составом х=0.71-0.94 и толщиной около 50 нм. Для создания МДП-структур на поверхность пленок Hgi.xCdxTe наносились различные диэлектрические покрытия: анодно-окисная пленка (АОП), двухслойный низкотемпературный диэлектрик SiCVSijN^ а также CdTe, CdTe/ZnTe, CdTe/ZnTe/SiCVSijN^ Перед нанесением диэлектрических покрытий для части образцов производилось удаление варизонного слоя путем травления.
В рамках общей задачи решались следующие вопросы:
1) выявление закономерностей формирования электрофизических и фотоэлектрических характеристик МДП-структур на основе ГЭС Hgi_xCdxTe МЛЭ при различных параметрах эпитаксиальног о Hgj.xCdxTe;
2) исследование влияния создания приповерхностных варизонных слоев с повышенным составом на электрофизические и фотоэлектрические характеристики МДП-структур на основе ГЭС Hgi.xCdxTc МЛЭ;
3) разработка методик определения основных параметров МДП-структур на основе ГЭС Hgi.xCdxTe МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом из результатов измерения электрофизических и фотоэлектрических характеристик;
4) определение основных параметров диэлектриков, приповерхностных слоев полупроводников и границы раздела варизонный 1-^].хСс1хТс МЛЭ пассивирующие покрытие для различных типов диэлектриков и разработка рекомендаций для применения пассивирующих диэлектрических покрытий.
5) разработка модели формирования электрофизических и фотоэлектрических характеристик МДП-структур на основе гетероэпитаксиального п(р)-Н%\.хСйхТе МЛЭ (х=0.21-0.38) с учетом приповерхностных варизонных слоев и последовательного сопротивления эпитаксиальной пленки.
Основные положения диссертации, представляемые к защите:
1) МДП-структуры на основе гетероэпитаксиальных пленок л-Н§|.хСс!хТе МЛЭ (х=0.21-0.23), содержащих приповерхностные варизонные слои толщиной (0.25-
0.70) мкм с экспоненциальным распределением состава СсГГе от значения в рабочем однородном слое до состава 0.43-0.48 на границе раздела диэлектрик-полупроводник, при температуре (78-100) К характеризуются по сравнению с аналогичными структурами без варизонных слоев увеличением в 1.2-2 раза глубины и ширины провала на низкочастотных ((1-200) кГц) зависимостях емкости от напряжения, а также отсутствием спада на зависимости фотоЭДС от напряжения в сильной инверсии, что связано с уменьшением скорости генерации неосновных носителей заряда в области пространственного заряда и подавлением процессов туннелирования через глубокие уровни.
2) Увеличение состава на границе раздела с диэлектриком от 0.34 до 0.49-0.58 при толщине приповерхностного варизонного слоя 1.6-1.8 мкм приводит к переходу вольт-фарадных характеристик МДП-структур на основе гетероэпитаксиальных структур Hgj.xCd.Je МЛЭ (х=0.22) р-типа проводимости к высокочастотному виду на частотах, превышающих 10 кГц, а также к отсутствию спада на зависимости фотоЭДС от напряжения в сильной инверсии, что определяется увеличением дифференциального сопротивления области пространственного заряда и подавлением межзонной туннельной генерации при концентрации дырок до (1016-Ю17) см'3.
3) Создание в приповерхностном варизонном слое эпитаксиальной пленки п*ОД1.хС(1хТе МЛЭ (х=0.30-0.32) периодически расположенных областей
9
“барьерного типа” с составом х=0.81-0.94 и толщиной около 50 нм приводит к снижению низкочастотной емкости в режиме обогащения на величину 10-15 пФ (при величине емкости диэлектрика около 50 пФ), уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда (от 31 мке до 15 мке) и постоянству температурной зависимости фотоЭДС в интервале (80-150)К, что обусловлено возникновением потенциальных барьеров для электронов и рекомбинационными процессами на границах областей с резкими неоднородностями по составу.
4) Нанесение в едином технологическом процессе выращивания полупроводниковой гетероэпитаксиальной структуры функциональных диэлектриков СёТе или СсІТс/гпТс на поверхность л(р)-Н§,_хСс1хТе МЛЭ (х=0.22-
0.38) с приповерхностными варизонными слоями повышенного состава толщиной
0.25-0.70 мкм и составом на поверхности 0.42-0.50 обеспечивает следующие параметры созданных МДП-структур: плотности подвижного и фиксированного зарядов не превышающие 9.0-И)9 см'2 и 5.5*Ю10 см'2, соответственно, плотность
її і л
поверхностных состояний не более 2.7-10 эВ' см' при Т=78К.
Научная новизна:
1) впервые проведены систематические исследования электрофизических и фотоэлектрических свойств МДП-структур на основе гстсроэпитаксиального 1-^].хСс1хТе, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в широком диапазоне параметров И”|_хСс1хТе и условий измерения;
2) впервые предложены методики определения основных параметров МДП-структур на основе ГЭС Н^і.хСс1хТе МЛЭ, учитывающие влияние на измеряемые характеристики приповерхностных варизонных слоев с повышенным составом и сопротивления объема эпитаксиальной пленки;
3) впервые экспериментально исследованы закономерности формирования электрофизических и фотоэлектрических характеристик МДП-структур на основе ГЭС Нё!.хСс1х'Ге МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом при различных параметрах варизонных слоев, а также с периодическими областями с резким изменением состава при различном расположении этих областей относительно границы раздела;
10
4) впервые определены основные параметры границы раздела ГЭС Hgj.xCdxTe МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом с различными диэлектрическими покрытиями (анодный оксид, SiCVSijN«, выращенные in situ CdTe и CdTe/ZnTe).
5) разработана модель формирования емкостных характеристик МДП-структур на основе гетероэпитаксиального w#?)-Hgi_xCdxTe МЛЭ (х=0.21-0.38) с учетом варизонных приповерхностных слоев с экспоненциальным распределением состава CdTe и последовательного сопротивления эпитаксиальной пленки адекватно описывающая экспериментальные электрофизические харакгеристики.
Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью
методик, использованных при исследованиях электрофизических и фотоэлектрических свойств, сопоставлением результатов, полученных при помощи различных методик. Основные выводы получены в результате экспериментального исследования характеристик большого числа образцов. Полученные в работе сведения о свойствах МДП-структур на основе ГЭС Hgj_xCdxTc МЛЭ согласуются с результатами расчетов и известными результатами исследований других авторов. Результаты работы не противоречат современным представлениям о процессах в МДП-структурах на основе узкозопных полупроводников.
Научная значимості» работы определяется следующими результатами:
1) установлено, что создание приповерхностных варизонных слоев с повышенным составом существенно изменяет электрофизические и фотоэлектрические характеристики МДП-структур на основе ГЭС n(p)-Hgi.xCdxTe (х=0.21-0.23) МЛЭ и выявлены основные особенности электрических характеристик МДП-структур на основе варизонного ГЭС Hgi.xCdxTc МЛЭ в широком диапазоне параметров МДП-структур и условий измерения;
2) экспериментально и теоретически исследованы закономерности влияния сопротивления объема эпитаксиальной пленки ГЭС Hg|.xCdxTe МЛЭ на измеряемые значения емкости и сопротивления МДП-структур, в том числе обнаружен эффект появления максимумов на вольт-фарадных характеристиках в режиме обогащения из-за немонотонной зависимости емкости МДП-структуры от
11
емкости области пространственного заряда при значительном сопротивлении объема;
3) экспериментально исследованы электрофизические и фотоэлектрические характеристики МДП-сгруктур на основе ГЭС IIg!.xCdxTe (х=0.3) МЛЭ, имеющего периодически расположенные области с резко повышенным составом при различном расположении этих областей относительно границы раздела диэлектрика с полупроводником;
4) впервые определены основные парамефы МДП-структур на основе ГЭС Hgi.xCdxTe МЛЭ с ириповерхносгными варизонными слоями с повышенным составом с различными диэлектрическими покрытиями и установлено влияние приповерхностных варизонных слоев с повышенным составом на плотности фиксированного и подвижного зарядов в диэлектрике, а также на плотность поверхностных состояний.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1) Разработанные методики определения основных параметров МДП-структур на основе ГЭС Hgi.xCdxTe МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом могут использоваться для контроля параметров пассивирующих покрытий для различных приборов оптоэлскфоники на основе ГЭС Hgi.xCdxTe МЛЭ.
2) Полученные данные об основных параметрах диэлектриков и границ раздела варизонного IIg|.xCdxTc МЛЭ с различными диэлектрическими покрытиями могут применяться для выбора оптимального пассивирующего покрытия матричных фотонриемников инфракрасного диапазона на основе ГЭС Hg].xCdxTc МЛЭ. Показано, что для пассивации фотоприемных элементов на основе ГЭС I lgi.xCdxTe МЛЭ могут использоваться низкотемпературный двухслойный диэлектрик Si02/Si3N4, а также выращенные in situ в процессе эпитаксиального роста структуры слои CdTe, в частности с дополнительными внешними подслоями.
3) Результаты исследований электрофизических и фотоэлекфических характеристик МДП-Сфуктур на основе ГЭС rig!.xCdxTc МЛЭ с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом могут
использоваться для управления характеристиками приборов электроники и
% %
оптоэлскгроники.
12
Личный вклад автора. При получении результатов данной работы автором внесен существенный вклад, состоящий в следующем: участие в постановке задач, в проведении экспериментов и численных расчетов; обработка и интерпретация результатов экспериментов и расчетов.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении ряда НИР, в частности с ФГУП «НПО «Орион» (НИР «Исследование и разработка методов контроля электрофизических свойств приповерхностных слоев ГЭС КРТ МЛЭ методами CV-метрии», являющейся составной частью НИР «Разработка промышленной технологии выращивания гетероэпитаксиальных структур теллурида кадмия-ртути дырочного типа проводимости на оптически прозрачных подложках методом молекулярно-лучевой эпитаксии», шифр «Прозрачность», выполняемой на основании государственного контракта с Минпромторгом России в рамках Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства сзратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 годы и на период до 2015 года».), с ИФП СО РАН (НИР «Исследование зонной диаграммы наноструктур и свойств границы раздела защитный диэлектрик-гетсроэпитаксиальный полупроводник КРТ», проводимой на основании государственного контракта от 17 августа 2007 г. №02.523.12.3006 «Разработка базовой технологии полупроводниковых наноструктур для источников и приемников излучения систем оптического мониторинга») выполняемой в рамках ФЦП «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.», АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 г., Per. номер 2.1.2/6551 (НИР «Физические принципы создания фоточувствительных и светоизлучающих наногетероструктур КРТ МЛЭ»).
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, одного приложения.
В первой главе проведен литературный обзор результатов исследований электрических характеристик МДП-структур на основе объемного и эпитаксиального Hg|.*CdxTc, данных о пассивации инфракрасных фотоприемников на основе I-Igi.xCdxTe, а также кратко рассмотрены фундаментальные свойства материала и способы его получения.
13
Во второй главе описана экспериментальная установка для измерения фотоэлектрических и электрофизических характеристик МДП-структур, приведены исходные данные об исследуемых образцах, а также проведен анализ используемых методик исследования.
В третьей главе приведены результаты расчета идеальных вольт-фарадных характеристик МДП-структур на основе Ь^1.хС<1хТе, в том числе с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом, рассмотрены особенности влияния на измеряемые характеристики сопротивления объема эпитаксиальной пленки, а также проведен анализ компонент темпового тока неосновных носителей заряда для МДП-структур на основе 1-^1.хСс1хТе.
В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований электрофизических и фотоэлектрических свойств МДП-структур на основе ГЭС Н§|.хСёхТе МЛЭ с различными параметрами, в том числе с приповерхностными варизонными слоями с повышенным составом и периодически расположенными областями с резко повышенным составом.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик МДП-структур на основе ГЭС Н§].хСс1хТе МЛЭ с различными пассивирующими диэлектрическими покрытиями, обоснованы методики определения основных параметров МДП-структур и приведены данные о свойствах границы раздела ГЭС МЛЭ Г^1.хСс1хТс с различными типами пассивирующих диэлектрических покрытий.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Основные результаты работы докладывались на IX международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах (Кемерово - 2004 г.), 1У-У1 международных конференциях «Фундаментальные проблемы оптики» 1У-У1 международного оптического конгресса «Оптика - XXI век» (Санкт-Петербург - 2006, 2008, 2010 гг.), XI и Х1У международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России», международном симпозиуме «Тонкие пленки в элекгронике» (Москва - 2005, 2008 гг.), Российском совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника-2008», (Новосибирск - 2008 г.), IX Российской
14
конференции по физике полупроводников (Новосибирск-'ГОМСК - 2009 г.), E-MRS 2009 Fall Meeting (Warsaw - 2009 г.), XIX-XXI Международных конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва — 2006,2008, 2010 г.г.), русско-немецком форуме «Nanophotonics and Nanomatcrials» (Томск - 2010 г.), I—III Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск - 2006, 2008, 2010 гг.).
По материалам диссертационной работы опубликовано 35 работ и получен 1 патент, которые приведены в списке литературы.
15
1. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ МДП-СТРУКТУР. НА ОСНОВЕ ЩСбТе В этой главе проведен краткий обзор литературных данных, посвященных свойствам структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе узкозонного твердого раствора Ь^1.хСбхТе, а также применению таких структур при разработке высокочувствительных детекторов инфракрасного диапазона. Поскольку свойства поверхностно-барьерных структур в значительной степени определяются свойствами полупроводника, кратко рассмотрены основные электрические и оптические свойства Н£1_хСбхТе. Описаны принципиально новые возможности создания высокочувствительных матричных детекторов инфракрасного диапазона, которые появились с развитием эпитаксиальных технологий получения Н^1.хСбхТе. Проведен анализ перспективных типов инфракрасных детекторов на основе Н§].хСбхТс и показано, что пассивация поверхности является ключевым технологическим этапом создания современных детекторов. Исследование элскгрофизических харакгеристик МДП-сгруктур традиционно является наиболее распространенным методом оценки качества пассивирующих покрытий. Также рассмотрены основные результаты экспериментальных исследований электрофизических и фотоэлектрических свойств МДП-етруктур на основе 1^СбТе, полученные зарубежными и отечественными исследователями в основном на объемном материале.
1.1 Фундаментальные свойства НйСбТе ?^1_хСс1хТс эго полупроводниковый твердый сплав двух соединений полуметалла (Г1&Те) и полупроводника (СсГГе). Электрические и оптические свойства 1-^1.хСбхТе определяются энергетической структурой запрещенной зоны в окрестности точки Г зоны Бриллюэна.
Ширина запрещенной зоны Н«СбТе в значительной степени зависит от молярной доли Сб и температуры, что хорошо видно из рисунка 1.1 [12]. Уникальным свойством Н§1_хСбхТс является то, что, управляя молярным составом Сб можно в широких пределах изменять ширину запрещенной зоны, а, следовательно, и граничную длину волны собственных детекторов на основе Н£1.хСбхТе. Рабочие длины волн инфракрасного детектора на основе Н£!.хСбхТс могут находиться в практически интересном ИК спектральном диапазоне средней и
16
дальней области, соответствующих окнам прозрачности атмосферы. Широкому использованию Щ|.хС<ЗхТе при создании детекторов инфракрасного диапазона также способствует то, что твердый раствор Е^СсГГе имеет высокий коэффициент поглощения инфракрасного излучения, высокую подвижность электронов и большое время жизни носителей заряда. Существует несколько эмпирических выражений для аппроксимации энергии запрещенной зоны Г-^СбТе, предложенных разными авторами. Наиболее широко используется выражение, полученное Хансен и др. [13]:
Ес(х, Т)= -0.302 +1 .93хх-0.81хх2+0.832хх3+5.35х Ю'4х(1-2>!х) *Т (1.1)
Как видно из рисунка 1.2 [12], изменения постоянной кристаллической решетки для Hgi.xCd.xTe различного состава х незначительны при существенном изменении ширины запрещенной зоны, что предоставляет возможность использования Е^|.хСбхТе для изготовления почти изопериодических гетеропереходов.
Зависимость электронного сродства у, от состава и температуры может быть аппроксимирована при помощи следующего выражения [14]:
Х(х, Т)-4.4 3-0.813[Ее(х, Т)-0.083] (1.2)
Часто используемое выражение для собственной концентрации носителей заряда получено Хансеном и Шмидтом [15]:
П;(х>ТН5-585-3.82х+1.753х1О'3Т-1.364х10‘}хТ)х10мЕ6°-75Т1-5ехр(—^-) (1.3)
2А:?1
Хансен и Шмидт получили выражение собственной концентрации носителей заряда в 1^1_хСбхТс, используя непараболическое приближение Кейна для зонной структуры.
Эффективная масса электрона те* в узкозонных соединениях Н§СбТе определена при помощи зонной модели Кейна Всйлером [16]:
тс =------------у----------^ (1.4)
2 1
-0.6 + 6.333
Эффективная масса тяжелых дырок ть* в Нё|_хСбхТе часто выбирается 0.55 т0. Это значение находится в диапазоне измеренных эффективных масс тяжелых дырок (0.3-0.7)*т0 [17].
17
0.5
0.4
>
3*0.3
CL
со
о>
Е 0.2
со
СО
0.1
0
мм X 1 =0.4
- у =0.
1 1 1 1 г i 1 •* И г 4 г 4 о г-4 г 4 Г 4 pi Г 4
1 1 м X . - =0 I-1 .2 >•< »•- >•< »•< »
: < I* *< У • 9 4 и 'I г *
2.4
3-1!
4.1 %
0
1
6-2 I
С/)
12.4
20 60 100 140 180 220 260
Temperature (К)
300
Рисунок 1.1 - Зависимость ширины запрещенной зоны Н§1.хСс1хТе и граничной длины волны от температуры для различных молярных составов х [12].
>
а_
аз
03
ТЭ
с
03
m
0.62
0.69
0.78
0.89
1.0
1.24
1.6
2.1
3.1
6.2
5.4
5.6 5.8 6.0
Lattice constant (А)
6.2
6.4
Рисунок 1.2 - Ширина запрещенной зоны, граничная длина волны и постоянная решетки для Р^1.хС(1хТе и различных соединений группы А3В5 [12].
Wavelength (^m)
18
Эффективная масса легких дырок близка к эффективной массе электрона [18], то есть меньше чем эффективная масса тяжелых дырок на величину около двух порядков.
Из-за малой эффективной массы подвижность электронов в 1^1_хС<]хТе высока. Обычно считается, что подвижность тяжелых дырок на два порядка меньше подвижности электронов. При моделировании работы приборов на основе ОДС<1Те при температурах, превышающих 50К, подвижность электронов часто определяется из эмпирической формулы, которая получена на основании данных эффекта Холла Скоттом [19]:
Приведенное выше эмпирическое выражение дает хорошее приближение для зависимости подвижности электронов от температуры и молярного состава Сс1 при малых полях в ЩСсГГе. Однако подвижность электронов в Н^СсГГе также зависит от электрического поля и концентрации легирующей примеси.
Зависимости подвижности электронов от температуры Т изображены на рисунке
1.3 [21]. При этом механизм рассеяния носителей заряда в зависимости от степени компенсации материала для Т>100К определяется рассеянием на полярных колебаниях решетки, а для Т<100К доминирующий вклад вносит рассеяние на ионизированных примесях. При Т=77К значения подвижности элекгронов и дырок равны составляют (1x1 о4 - 2* К)5) и (4 - 8)х102 см2/(В*с), соответственно, для составов х = 0.2 - 0.4 и типичных уровней легирования N^+N3=1015 см*3 и степени компенсации 10|4<К(Г№<1015, где N<1 и Н, - концентрации донорной и акцепторной примесей. С ростом температуры до комнатной подвижность носителей заряда спадает до (10-4)* 10 и 1 * 10 см /(Вх) для электронов и дырок, соответственно.
Одним из наиболее важных параметров полупроводника является время жизни носителей заряда. В материале п-гипа проводимости высокого качества время жизни ограничено межзонной Оже-рекомбинацией для составов х=0,20-0,30 [21]. С ростом х возрастает вклад излу нательного механизма рекомбинации.
Температурные зависимости времени жизни (рисунки 1.4, 1.5) указывают на наличие в запрещенной зоне уровней рекомбинации с энергией '20-30 мэВ от
(1.5)
19
потолка валентной зоны или вблизи положения уровня Ферми для собственного полупроводника. В материале р- типа наибольшее значение приобретает рекомбинация через локальные центры с энергией 10-20 и 60-80 мэВ от потолка валентной зоны [22]. Для высококачественного материала п-гипа время жизни носителей заряда т достигает 3><10‘6 - 3*10'5 с для составов 0.195-0.275 и температур 80-100 К. При этом значение т остается практически неизменным в интервале температур 80-100 К для х-0.20 и 100-180 К для х=0.275.
Оптические свойства Ь^СсГГе были исследованы в основном в области энергий вблизи ширины запрещенной зоны. Там до сих нор присутствуют значительные разногласия относительно значений коэффициентов поглощения [20]. Это вызвано различной концентрацией собственных дефектов и примесей, неоднородностью состава и легирования, неоднородностью толщин образцов, механическими напряжениями и различием способов обработки поверхности.
Для прямозонных полупроводников, таких как Е^СбТе, характерно резкое начало оптического поглощения, когда энергии фотонов Е превышают ширину запрещенной зоны Ее. На рисунке 1.6 приведены экспериментально определенные коэффициенты поглощения для К^СсГГе в широком диапазоне составов при Т=77К. Большой коэффициент поглощения Н§СёТе в инфракрасной области спектра позволяет создавать детекторы относительно небольшой толщины.
Высокочастотную диэлектрическую постоянную Ссо и статическую диэлектрическую постоянную 85 обычно находят из данных отражения, оценивая реальную и мнимую части е. Диэлектрические постоянные являются нелинейными функциями состава, но в экспериментах не обнаружено сильной зависимости диэлектрических постоянных от температуры [20]. Зависимость от состава может быть описана при помощи следующих соотношений [2]:
е„(х)=15.2-15.6х+8.2х2 (1.6)
е8(х)-20.5-15.5х+5.7х2 (1.7)
В таблицах 1.1 и 1.2 приводятся данные об основных свойствах материала IIgi.xCdx.Te для х=0.2, х=0.3 и х=0.4 при температурах 77 К и 300 К соответственно.
20
Рисунок 1.3 - Температурная зависимость подвижности электронов и дырок в ^,.хСс1хТе с х ~ 0.2, 0.3, 0.4 [21]
Рисунок 1.5 - Экспериментальные и теоретические зависимости времени жизни неосновных носителей заряда от 103/Т для п-типа Н§|.хС<1хТе с х= 0.275 [21]
ІО^/Т
Рисунок 1.4 - Экспериментальные и теоретические зависимости времени жизни неосновных носителей заряда от 103/Т для п-типа Н§|_хСс1хТе с х= 0.195 [21]
21
Energy (eV)
Рисунок 1.6 - Зависимость оптического коэффициента поглощения Hg|.xCdxTe от энергии для различных составов х [12].
22
Таблица 1.1 - Свойства материала 1^|.хС^Те при Т=77К для составов х^0.2, х-0.3их=0.4 [23].
Hgo.8Cdy.2Tc Hgo.7Cdo.3Tc Hgo.6Cdo.4Te
Энергия запрещенной зоны Ев(эВ) 0.083 0.243 0.4019
Элею-ронное сродство х(эВ) 4.23 4.10 3.97
Собственная концентрация носителей П](см*3) 9.98*1013 1.20x109 1.02x104
Эффективная масса электрона тс (то) 0.0063 0.0177 0.0282
Эффективная масса тяжелых дырок ть* (т0) 0.55 0.55 0.55
Подвижность электронов в слабых полях ре (см2/Вс) 2х 10Ь 7хЮ4 2x104
Подвижность дырок в слабых полях ри (см2/Вс) 2x103 7x10' 2хЮ2
Статическая диэлектрическая постоянная 8$ 17.99 16.90 15.93
Высокочастотная диэлектрическая постоянная е» 12.31 11.03 9.87
Таблица 1.2 - Свойства материала 1-^1.хСс1хТе при Т=300К для составов х=0.2, х=0.3 и х-0.4 [23].
Hg0.gCd0.2Te Hgo.7Cdo.3Te I Igo.6Cdo.4Te
Энергия запрещенной зоны Ев(эВ) 0.155 0.291 0.426
Электронное сродство х(эВ) 4.17 4.06 3.95
Собственная концентрация носителей П{(см'3) 3.40x10'° 3.62х Ю15 3.24хЮ14
Эффективная масса электрона шс* (то) 0.0115 0.0209 0.0298
Эффективная масса тяжелых дырок гпь* (гп0) 0.55 0.55 0.55