2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В Сс1хНё1.хТс ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ И ИОНАМИ 15
1.1. Методы выращивания материала С(УН^1о{Те. Дефекты структуры,
#■ определяющие электрофизические свойства 16
1.2. Влияние радиационных воздействий на свойства кристаллов Сс1Д^|.хТе 26
1.2.1. Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами кристаллов Сс1№1.хТс 27
1.2.2. Ионная имплантация в кристаллы СёН^ хТе 32
Выводы 47
2. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С6хН&.хТс, ВЫРАЩЕННОГО МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ 50
^ 2.1. Подготовка образцов С<1х^1-хТе. Методика измерений 51
2.2. Особенности определения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок Сс1х^1_хТе с варизонными слоями 55
2.2.1. Основные положения физической модели 56
2.3.2. Влияние широкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок Сс1х^1.хТе 66
2.3.3. Влияние узкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок СбхН§1.хТе 73 •
2.3.4. Определение электрофизических параметров варизонных
* эпитаксиальных пленок С<Зх^1.хТс 76
Выводы 81
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ И
у - КВАНТАМИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК Сс1х^,.хТе 83
3.1. Методы исследований 84
3.2. Облучение мощными импульсными пучками электронов 86
* 3.3. Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами 94
Выводы 102
3
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАДИАЦИОННОГО
ДЕФЕКТООБРАЗОВАЛИЯ В КРТ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ 104
4.1. Основные положения модели радиационного дсфектообразования в С<У^1.ХТс при ионной имплантации 105
* 4.2. Определение коэффициента комплсксообразования РД и оценка
влияния внутреннего электрического поля на миграцию первичных 109
4.3. Моделирование процесса радиационного дефектообразования при облучении объемных кристаллов С(1хЩ1_хТе ионами аргона 114
Выводы 125
5. ДИНАМИКА НАКОПЛЕНИЯ И ПРОФИЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ДЕФЕКТОВ В ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНКАХ С(1хН&.хТе, ОБЛУЧЕННЫХ ИОНАМИ И2+, Аг+, В+ 126
5.1. Методики исследования, при ионной имплантации Сс1хН§1.хТс 127
ф
5.2. Имплантация ионов аргона и молекулярного азота,
в эпитаксиальные пленки СсЦ^1.хТе 129
5.3. Имплантация ионов бора в варизонные эпитаксиальные пленки
Сс1хН81.хТе 141
5.3.1. Интегральные электрофизические характеристики 143
5.3.2. Профили пространственного распределения электрофизических характеристик 150
5.4. Анализ процессов радиационного дефектообразования в варизонных
4Г эпитаксиальных пленках СбхН§1.хТе при ионной имплантации 165
Выводы 187
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 190
ЛИТЕРАТУРА 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СДОв^Те 210
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
- средний проецированный пробег
ик - инфракрасный
ГФЭ - газофазная эпитаксия
ЖФЭ - жидкофазная эпитаксия
КРТ - полупроводниковое соединение Сс1хН£1_хТе (теллурид кадмия ртути)
кцт - полупроводниковое соединение Сб^щ.Де (теллурид кадмия цинка)
МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия
МОГФЭ - газофазная эпитаксии с применением металлоорганических
соединений
ннз - неравновесные носители заряда
ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
рд - радиационные дефекты
РОР - резерфордовское обратное рассеяние
УВС - узкозонный варизонный слой
УРАФ - угловое распределение аннигиляционных фононов
ФПУ - фотоприемное устройство
шве - широкозонный варизонный слой
ВВЕДЕНИЕ
Разработка различного рода эффективных фотоприемных устройств (ФПУ), работающих в инфракрасной (ИК) области спектра, является одной из актуальных задач современной микро - и оптоэлектроники. В настоящее время приборы, основанные на применении фотоприемников ИК диапазона, используются для решения широкого круга задач как специального, так и гражданского назначения [1]. Они находят широкое применение в медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности, металлургии черных и цветных металлов, в топливодобывающей промышленности и в других областях народного хозяйства. В военной области ИК фотодетекторы применяется в системах ночного видения, противоракетных системах обнаружения и наведения, системах автоматического обнаружения, распознавания и уничтожения наземных целей, авиационных и космических разведывательных системах и т.д.
Полупроводниковые соединения CdxHgi.xTe (KPT) в настоящее время являются одним из основных материалов для создания собственных ИК фотоприемников на диапазон длин волн 3-5 и 8-14 мкм [2,3,4]. Данный полупроводник характеризуется широким спектральным диапазоном фоточувствительности (1-25 мкм), сравнительно низкой концентрацией носителей заряда при рабочих температурах 77 К, высокой квантовой эффективностью в диапазоне перекрываемых длин волн. Однако наряду с достоинствами КРТ существуют большие технологические трудности в получении качественных кристаллов. Использование методов получения объемных кристаллов КРТ (Бриджмена, твердотельной рекристаллизации, Чохрапьского и т.п.) не всегда позволяет получать материал с параметрами, требуемыми для создания высокочувствительных ИК приемников. Кроме того, фотоприемники, изготовленные с использованием объемного материала, имеют высокую стоимость из-за потери значительной части выращенного материала в результате технологических операций.
Необходимо также отмстить, что основные тенденции развития современной микроэлектронной промышленности в области оптоэлектроники направлены на разработку высокоэффективных многоэлементных полупроводниковых детекторов излучения, обеспечивающих обработку сигнала непосредственно в фокальной области фотоприемного устройства [3,4, 5]. При этом для создания таких фотодетекторов необходимо обеспечить изготовление образцов исходного материала достаточно большой площади и однородности [3,4, 5, 6]. Применительно к полупроводниковым узкозонным твердым растворам КРТ, наибольшее внимание в последние годы уделяется разработке технологии изготовления многоэлементных фотоприемных матриц на основе материала, выращенного эпитаксиальными методами, в том числе молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Преимуществами метода МЛЭ являются высокая однородность свойств материала по поверхности технологической шайбы и возможность выращивания эпитаксиальных структур со сложным профилем распределения состава (варизонные структуры) и легирования [4,6], необходимыми для приборного исполнения. Кроме того, данный метод позволяет выращивать материал на подложках из ваАз и 81 [6], которые являются основными технологическими материалами микроэлектронной промышленности. Возможность создания фотодетекторов на подложках ваЛь и 81 открывает широкие перспективы для изготовления устройств, в которых фотоприемная матрица и мультиплексор интегрированы в одном кристалле.
Наряду с исследованием исходных свойств эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ, актуальной является задача контролируемого изменения параметров материала с целью получения заданных полупроводниковых структур. Большое внимание при этом уделяется исследованию взаимодействий ионизирующего излучения с материалом. Среди ряда проблем, возникающих в этой связи, в настоящее время наибольший практический интерес представляют следующие: а) разработка гибкой и воспроизводимой технологии управления электрофизическими и
фотоэлектрическими параметрами полупроводникового материала путем контролируемого введения в него электрически активных примесей и дефектов; б) исследование природы радиационных дефектов в материале в связи с оптимизацией технологии ионной имплантации, так как внедрение ионов сопровождается интенсивной генерацией радиационных дефектов, которые в случае КРТ, полностью определяют электрофизические свойства имплантированного материала; в) исследование радиационных дефектов в полупроводниковых приборных структурах, предназначенных для работы в космическом пространстве, в ядерных энергетических установках и в военной технике, так как именно фоточувствительный полупроводниковый материал является наименее стойким к радиации элементом этих устройств.
Проведенные исследования процессов радиационного дсфектообразования в объемном материале КРТ позволили разработать технологию ионной имплантации с целью получения необходимых приборных структур [7 - 11]. В настоящее время методом ионной имплантации создаются также высококачественные фотоприемные устройства на основе эпитаксиального материала, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии [6,12-14]. Однако исследований радиационного дефектообразования в данном материале практически не проводилось.
Для улучшения параметров создаваемых фотоприемных устройств широкое применение находят эпитаксиальные пленки с широкозонными варизонными слоями в приповерхностной области материала [6, 15, 16]. В связи с этим актуальным является вопрос о влиянии области переменного состава материала на процессы радиационного дефектообразования.
Необходимо отметить, что, несмотря на большой накопленный экспериментальный материал, нет однозначных моделей радиационного дефектообразования в КРТ. В связи с этим проведение исследований радиационного дефектообразования в КРТ является актуальной задачей, так как разработка модели радиационного дефектообразования позволит не только прогнозировать влияние радиационных эффектов на параметры материала, но и
улучшить технологию прецизионного управления параметрами исходного материала, с целью создания заданной приборной структуры.
Целью данной работы является исследование влияния радиационных воздействий на свойства эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и изучение процессов радиационного дефектообразования при ионной имплантации.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Расчет электрофизических параметров эпитаксиальной пленки КРТ с варизонными слоями и определение влияния этих слоев на результаты экспериментальных измерений параметров эпитаксиального слоя.
2. Исследование влияния потоков ионизирующих излучений на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
3. Развитие модели радиационного дефектообразования в КРТ при ионной имплантации и уточнение ее параметров на основе экспериментальных результатов измерения пространственного распределения электрически активных радиационных дефектов.
4. Изучение влияния внедрения ионов (ионной имплантации) на свойства эпитаксиального материала КРТ и исследование процессов радиационного дефектообразования в области переменного состава эпитаксиальной' пленки.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Коэффициент комплексообразования ^(характеризующий динамику накопления электрически активных радиационных дефектов донорного типа в ртутной подрешетке материала при ионной имплантации CdxHgt.xTe) определяется из тангенса угла наклона tgP зависимости натурального логарифма пространственного распределения объемной концентрации электронов, измеренной в области материала, заглубленной по сравнению с районом генерации первичных радиационных дефектов, и областью наибольшего разупорядочивания кристаллической решетки
материала, как а^И^^Р)2, где ^ - коэффициент диффузии
междоузельных атомов ртути.
2. При имплантации ионов бора в варизонные эпитаксиальные пленки Сс1хЕ^|.хТе скорость введения электрически активных радиационных дефектов бЫ^бФ в диапазоне доз облучения Ф < 1014 см'2 экспоненциально убывает с увеличением состава материала х в области среднего проецированного пробега Ир ионов бора. Замедление динамики накопления электрически активных радиационных дефектов обуславливает наблюдаемые отличия результатов ионной имплантации в варизонные эпитаксиальные пленки с переменным составом в области внедрения имплантанта по отношению к объемному материалу Сс1хН£1.хТе постоянного состава.
3. При ионной имплантации эпитаксиальных пленок Сбх^1.хТе с приповерхностным варизонным слоем влиянием градиента коэффициента диффузии первичных радиационных дефектов и встроенного электрического поля, образующихся вследствие наличия градиента состава эпитаксиальной пленки в области радиационного дефектообразования, на процесс миграции первичных радиационных дефектов можно пренебречь при значениях градиента состава менее 0.4-104 см'1.
4. Облучение варизонных эпитаксиальных пленок Сбх^1.хТе, выращенных методом МЛЭ, при температуре 300 К электронами в диапазоне энергий 400 кэВ - 2 МэВ и у-квантами с энергией 1.25 МэВ интегральными потоками вплоть до 5-1015 см'2 и 1.7-1016 см'2, соответственно, не приводит к образованию электрически активных дефектов и центров рекомбинации неосновных носителей заряда в различимых концентрациях.
Научная новизна и ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено исследование влияния потоков электронов, у-квантов, ионов на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и сравнение
полученных результатов с данными по облучению кристаллов КРТ, выращенных объемными методами. Показано, что механизмы образования электрически активных РД и процесс их эволюции протекают сходным образом, как в эпитаксиальных пленках, так и в объемном материале КРТ.
2. Впервые получены профили распределения электрически активных радиационных дефектов в эпитаксиальных пленках МЛЭ КРТ, с различным распределением состава в области внедрения имплантируемых ионов. Проведено сравнение результатов ионной имплантации в объемный материал КРТ и в эпитаксиальные пленки, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Выявлены основные факторы, определяющие различие в результатах имплантации ионов бора в объемный материал КРТ и эпитаксиальные пленки с переменным составом материала в области внедрения имплантанта. Получено дополнительное экспериментальное подтверждение предположения того, что основными радиационными дефектами определяющими свойства облученного КРТ, являются дефекты в ртутной подрешетке материала.
3. Развита модель радиационного дефектообразования в КРТ при ионной имплантации. Показано, что анализ полученных экспериментальных результатов измерения пространственного распределения электрически активных радиационных дефектов, позволяет оценить параметры модели радиационного дефектообразования в КРТ, таким образом, что результаты расчета не только качественно, но и количественно согласуются с экспериментальными данными.
Достоверность научных положений и выводов по работе определяется корректностью методики электрофизических измерений и согласованностью экспериментальных данных с расчетными. Полученные в работе данные не противоречат известным результатам по исследованию процессов радиационного дефектообразования в КРТ. Результаты работы согласуются с результатами работ отечественных и зарубежных авторов.
Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
1. Предложен метод расчета электрофизических параметров эпитаксиальных варизонных структур КРТ.
2. Показано, что исследуемые эпитаксиальные пленки КРТ, выращенных методом МЛЭ, обладают высокой радиационной стойкостью к внешним воздействиям (у-кванты, высокоэнергетические электроны) при температуре 300 К в пределах применяемых потоков облучения.
3. Предложен способ оценки параметров теоретической модели радиационного дефектообразования в КРТ, позволяющий получить не только качественное, но количественное согласие результатов теоретического расчета и экспериментальных данных.
4. Полученные результаты исследований влияния облучения ионов бора на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок КРТ могут быть использованы для оптимизации режимов ионной имплантации в эпитаксиальный материал с широкозонными варизонными слоями в приповерхностной области при изготовлении диодных структур. Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР и хоздоговорных тем:
1. "Исследование физических свойств и разработка методов контроля структур неоднородных полупроводниковых сред и материалов, магнитодиэлектриков и структур на их основе с целью создания функциональных материалов для радиоэлектроники" (шифр "Корсар"), гос. per. No 01.200.202367,2001-2005.
2. "Радиационно-индуцированная диффузия примесей и дефектов при модификации полупроводниковых соединений мощными импульсными пучками ионов", НТП "Университеты России", проект №3962, 1998-2000.
3. “Радиационно-индуцированная диффузия и сегрегация примесей и дефектов при модификации свойств полупроводниковых соединений мощными импульсными пучками ионов”, НТП “Университеты России -фундаментальные исследования”, учетный № 015.06.01.11,2001-2002.
4. Joint project grant No 14123 The Royal Society of London (UK) "Scmiconductor modification and implantation using high power pulsed beams", 2002-2004, Loughborough University, Leicestorshire.
5. Грант Международного Совета по исследованиям с финансовым обеспечением Carnegie Corporation (IREX), проект "Разработка методик и аппаратуры для исследования МДП-структур на основе варизонного гетероэпитаксиального HgCdTe, созданного методом молекулярно-лучевой эпитаксии" (2004/2005).
6. "Разработка физико-технологических основ создания фоточувствительных наноструктур на базе полупроводниковых соединений А2В6, А3В5, А4В6", проект Межгосударственной российско-украинской программы "Нанофизика и наноэлектроника", направление 4 "Наноэлектроника и нанофотоника", 2000-2002.
7. "Многослойные МЛЭ структуры CdHgTe с наноразмерными слоями и оптоэлектронные приборы на их основе" (шифр «Структура»), проект Межгосударственной российско-украинской программы "Нанофизика и наноэлектроника", направление 4 "Наноэлектроника и нанофотоника", 2004-2006.
8. "Исследование воздействия облучения на параметры ГЭС КРТ МЛЭ" (шифр "Гамма"), №09/01 от 12.03.2001, ИФП СО РАН, г. Новосибирск;'
9. "Исследование механизмов рассеяния и сохраняемости в образцах кадмий-ртуть-теллур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии", (шифр "Гамма-2"), №02/02 от 28.01.2002, ИФП СО РАН г. Новосибирск.
По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, входящих
в список ВАК, 1 статья в журнале американского общества SPIE, 7 материалов и 6 тезисов международных конференций, 5 статей в сборниках трудов школы молодых ученых. Общее число публикаций составляет 23 наименования. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 164 наименования.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы и основные задачи, а также выносимые на защиту научные положения, изложена структура диссертации.
Первая глава диссертации носит обзорный характер. Дается общее представление о методах выращивания и структуре исходных дефектов в объемном и эпитаксиальном материале КРТ, выращенного методом МЛЭ. Анализируются экспериментальные данные по влиянию высокоэнергетических ионизирующих излучений на свойства объемных кристаллов КРТ. Рассматривается влияние ионной имплантации на электрофизические параметры объемного материала КРТ. Обсуждаются модельные представления процессов радиационного дефектообразования при ионной имплантации. В конце главы дается постановка цели и задач исследований.
Во второй главе приводится описание подготовки образцов эпитаксиальных пленок и объемных кристаллов КРТ к экспериментальным исследованиям, а также экспериментальных методик измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок. Предложен метод расчета электрофизических параметров эпитаксиальных пленок КРТ с варизонными слоями. Проведено исследование влияния параметров варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиального слоя постоянного состава.
В третье главе приведены экспериментальные результаты исследований влияния высокотемпературного облучения ионизирующими частицами эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведено сравнение результатов воздействия ионизирующих излучений на электрофизические параметры эпитаксиального и объемного материала КРТ.
Четвертая глава посвящена проблемам моделирования процессов радиационного дефектообразования в КРТ с учетом диффузии радиационных дефектов и образования на их основе комплексов. Предложен способ оценки параметров модели из экспериментальных результатов измерения
пространственного распределения электрически активных дефектов. Приводится сравнение результатов модельного расчета радиационного дефектообразования в объемном материале КРТ с экспериментальными данными по имплантации ионов аргона.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований ионной имплантации (Ar\ N2*, В+) в эпитаксиальные пленки КРТ, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведен анализ дозовых и энергетических зависимостей интегральных электрофизических параметров и профилей пространственного распределения электрически активных радиационных дефектов. Установлены закономерности процесса радиационного дефектообразования в области переменного состава эпитаксиальной пленки. Проведено моделирование процессов радиационного дефектообразования в материале с переменным составом в области внедрения имплантируемых ионов и сравнение полученных результатов расчета с экспериментальными данными.
В заключении формулируются основные выводы работы.
В приложении диссертации приведено описание автоматизированного комплекса, который использовался для измерения электрофизических параметров образцов КРТ.
1. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ В CdxHg,.xTe ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ И ИОНАМИ
В конце 50-х годов значительно возрос интерес к созданию инфракрасных фотоприемников, способных эффективно работать в диапазоне длин волн 8-14 мкм. Созданные к тому времени примесные фотоприемники на основе германия, легированного ртутью, требовали низких рабочих температур -менее 30 К. Для того чтобы увеличить рабочую температуру, необходимо было использовать собственные фотодетекторы. Основной проблемой при этом было найти материал, ширина запрещенной зоны которого составляет 0.1 эВ, что соответствует границе фоточувствительности 14 мкм. После опубликования Лоусоном с соавторами в 1959 году статьи "Preparation and properties of HgTe-CdTe" большое внимание разработчиков ИК фотоприемников было уделено исследованию узкозонного полупроводникового материала CdxHgi.xTe (KPT, кадмий - ртуть - теллур, теллурид кадмия и ртути). Особенностью этого материала является возможность изменения в широких пределах ширины запрещенной зоны при изменении молярного соотношения компонент, что позволяет использовать его в качестве материала для ПК фотоприемников, работающих в диапазоне длин волн от 1 до 25 мкм [2, 3]. В настоящее время CdxHg].xTe является одним из наиболее широко используемых материалов для создания ИК-фотодетекторов.
Известный специалист в области оптоэлектроники Антоний Рогальский в своей монографии охарактеризовал будущее ИК фотодетекторов на основе КРТ следующим образом: "В настоящее время не создано ни одного типа детекторов способных конкурировать с фотоприемниками на основе CdHgTe по фундаментальным свойствам. Фотодетекторы на основе других материалов могут быть более технологичными, но не могут обеспечить более высокие рабочие характеристики" [3]. Проведенный им анализ состояния разработок в этой области говорит о том, что узкозонные материалы КРТ будут оставаться в течении длительного времени одним из основных объектов исследований с
целью получения высокочувствительных детекторов. Поэтому исследования новых методов получения материала, а также методов контролируемого изменения свойств исходного материала будет оставаться актуальной задачей ИК оптоэлектроники.
В первой части литературного обзора описаны основные методы выращивания кристаллов КРТ и дефекты структуры, определяющие свойства выращенного материала, а вторая часть посвящена радиационным методам контролируемого изменения параметров исходных кристаллов КРТ с целью получения заданной приборной структуры.
1.1. Методы выращивания материала CdxHg!.xTe. Дефекты структуры, определяющие электрофизические свойства
Выращивание монокристаллов твердого расплава КРТ связано с рядом трудностей, обусловленных особенностями физико-химических свойств этого материала [17,18]:
• Вследствие большого расхождения между линиями ликвидус и солидус происходит значительная сегрегация бинарных компонентов HgTc и CdTe. При приемлемых значениях скорости роста трудно обеспечить квазиравновесные условия, что приводит к получению макроскопически неоднородного материала, как в продольном, так и в поперечном направлениях относительно оси роста.
• Вследствие высокой упругости паров компонентов, особенно паров ртути, достаточно трудно сохранить стехиометрию расплава и, следовательно, самого кристалла.
• Существенное различие в значениях удельного веса компонентов способствует значительной гравитационной сегрегации, что приводит к дополнительной макронеоднородности и отклонениям от стехиометрии.
• Отклонения от стехиометрии, связанные с недостатком ртути, приводят к появлению избытка теллура, возникновению концентрационного
переохлаждения и, как следствие, к появлению второй фазы, обогащенной теллуром.
В настоящее время используют следующие основные методы получения монокристаллов КРТ [19,20]:
• модифицированные различными способами методы направленной кристаллизации (Бриджмена-Стокбаргера),
• зонная плавка,
• двухступенчатый метод, включающий * быструю кристаллизацию из расплава и последующую длительную твердотельную рекристаллизацию при температуре несколько ниже температуры солидус,
• выращивание из растворов - расплавов, например, в теллуре,
• кристаллизация из двухфазной смеси “твердый кристалл - жидкость” при температурном градиенте.
После выращивания кристаллы КРТ содержат большое количество собственных дефектов:
• заряженные вакансии ртути Унй концентрация которых составляет 1016 -Ю17 см'3 [21],
• электрически нейтральные вакансионные кластеры (VHg)x [22],
• различные несовершенства структуры: дислокации, малоугловые границы, межзеренные границы, дефекты упаковки, преципитаты (выделение второй фазы) исходных компонентов и т.д.
Кроме того, в выращенном материале присутствуют различные неконтролируемые примеси [23,24], концентрация которых может достигать значения 1017см’3. При этом преципитаты теллура геттерируют значительную часть примесей. Остальная часть примесей распределяется в области дислокаций и малоугловых границ..
Электрические свойства узкозонных твердых растворов CdxHgi.xTe после выращивания определяются степенью отклонения от стехиометрического состава [25]. Считается, что избыток катионов обоих типов в кристалле определяет проводимость n-типа, а избыток атомов аниона обусловливает
p-тип проводимости [26,27]. Вакансии ртути являются акцепторами, а междоузельные атомы ртути проявляют донорные свойства. Концентрация точечных дефектов в подрешетках кадмия и теллура существенно ниже из-за их значительно большей энергии образования. Поэтому роль этих дефектов менее существенна. Высокая концентрация вакансий ртути определяет проводимость p-типа кристаллов CdxHg^Te после выращивания. Концентрация дырок при этом составляет Ю16 -1017 см'3.
Дня устранения дефектов нестехиометрии и получения материала п-типа проводимости обычно используется послеростовый отжиг полупроводниковых кристаллов в атмосфере паров компонент твердого раствора. Чаще всего отжиг
проводят в атмосфере паров ртути при температурах 250 - 300 °С [28].
В процессе отжига атомы ртути диффундируют с поверхности в глубь материала и аннигилируют с металлическими вакансиями и теллуровыми преципитатами. В результате в поверхностном слое материала начинают преобладать донорные дефекты, а преципитаты теллура аннигилируют с образованием дислокаций.
Предполагается, что неконтролируемые примеси обуславливают п-тип проводимости кристаллов КРТ после температурной обработки в атмосфере паров ртути [24, 29]. При этом донорные свойства проявляют элементы III группы на месте металла и элементы VII группы на месте халькогена. Соответственно, элементы I группы в металлической подрешетке и элементы V группы на месте теллура являются акцепторами [30,31, 32].
Таким образом, после выращивания кристаллическая структура полупроводниковых соединений КРТ содержит различные типы ростовых дефектов. Эти дефекты определяют тип проводимости и электрофизические свойства выращенного материала.
Необходимо отметить, что выращивание качественных объемных монокристаллов КРТ - это достаточно сложный и трудоемкий технологический процесс, который требует больших временных и материальных затрат. Вследствие физико-химических особенностей твердых растворов КРТ при
промышленном производстве наблюдается низкий процент выхода материала с параметрами, необходимыми для создания высокочувствительных фотодетекторов. В совокупности все эти факторы определяют высокую стоимость изготавливаемых ИК фотоприемников. Актуальность проблемы снижения себестоимости материала обеспечила значительный интерес к альтернативным технологиям получения КРТ. Наибольшее внимание было уделено эпитаксиальным методам выращивания: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), газовой эпитаксии с применением металлоорганических соединений (МОГФЭ). Основная идея в использовании эпитаксиального материала в производстве фотодетекторов заключается в том, что в этом случае можно исключить технологические операции резки, шлифовки, полировки, при выполнении которых теряется большая часть монокристаллического материала, а значит значительно уменьшить себестоимость материала. Кроме того, следует отметить, что основные усилия современной микроэлектронной промышленности направлены на получение многоэлементных (матричных) полупроводниковых детекторов излучения, обеспечивающих обработку сигнала непосредственно в фокальной области [12]. При этом для создания таких фотоприемных устройств необходимо обеспечить изготовление пластин исходного материала достаточно большой площади и однородности. Таким требованиям в большей степени отвечают эпитаксиальные методы выращивания [33].
Наиболее широкое применение для выращивания эпитаксиальных слоев полупроводников находит метод жидкостной эпитаксии, интенсивное использование которого началось в 70-х годах. Кристаллизация эпитаксиальных слоев полупроводников в методе ЖФЭ осуществляется из растворов-расплавов полупроводника в легкоплавком металле-растворителе [34]. В случае КРТ наиболее технологичен рост эпитаксиальных слоев из раствора-расплава на основе теллура [3], в этом случае рост пленки происходит при высоких температурах 500 - 550 °С и парциальном давлении ртути
- Київ+380960830922