авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

«На правах рукописи Якушев Максим Витальевич Гетероэпитаксия ZnTe, CdTe и твердых растворов CdHgTe на подложках GaAs и Si. ...»

-- [ Страница 5 ] --

Кинетика роста CdHgTe на поверхности (310) (Влияние ориентации подложки на условия выращивания пленок CdHgTe методом МЛЭ) Основная проблема при выращивании КРТ методом МЛЭ – высокая упругость паров и, как следствие этого, низкий коэффициент встраивания атомов ртути. Поэтому рост КРТ в методе МЛЭ происходит при низкой температуре подложки и высоком давлении паров ртути. Давление паров ртути настолько высоко, что в вакуумной камере реализуется уже не молекулярный режим течения газов, а переходный между молекулярным и вязкостным режимами [46].

Низкая температура выращивания обеспечивает резкость гетерограниц и низкое фоновое легирование, но помимо этих преимуществ создает и фундаментальную проблему МЛЭ КРТ – возможность одновременного формирования двух фаз: фазы КРТ и фазы элементарного теллура.

Термодинамический анализ показывает, что при МЛЭ рост пленок HgCdTe осуществляется в условиях, когда две фазы: HgTeкр и Teкр – являются устойчивыми [183].

При термодинамической вероятности образования нескольких фаз преимущественное образование той или другой фазы будет определяться исключительно кинетикой образования соответствующих фаз.

Проблема заключается в том, что теллур испаряется и попадает на поверхность растущей пленки КРТ в виде двухатомных молекул [184] и температура процесса настолько низка, что теллур, не успевший прореагировать с ртутью и кадмием, не может реиспариться. Попадающие на поверхность молекулы теллура участвуют в двух процессах: диссоциации молекул и кристаллизации совершенной пленки КРТ и кристаллизации теллура в виде самостоятельной фазы, когда процесс диссоциации не успевает произойти. В последнем случае образование фазы теллура на поверхности нарушает кристаллический рост КРТ и приводит к лавинообразному размножению дефектов, так как согласно вышесказанному затруднения в кристаллизации КРТ в дефектных местах повышают вероятность образования элементарного теллура.

При выращивании многокомпонентных полупроводников методом молекулярно лучевой эпитаксии, использующей низкие температуры осаждения, проблемы, связанные с низкой упругостью паров одного или нескольких компонентов, являются типичными.

Так, в случае соединений А3В5, низкой упругостью паров обладают элементы третьей группы - галлий и индий. В том случае, когда они не успевают связаться с элементом пятой группы (As, Sb), происходит их накопление на поверхности в виде жидкой фазы и процесс частично приобретает черты, свойственные жидкофазовой эпитаксии [185]. В случае КРТ элемент с низкой упругостью паров (теллур) образует при температурах выращивания не жидкую, а твердую фазу. Поэтому накопление на поверхности теллура, не связавшегося с ртутью, может приводить к более существенным последствиям.

Затруднения в диссоциации и стоке атомов теллура к точкам роста благоприятствуют процессу образования фазы элементарного теллура, что может приводить к формированию характерных прорастающих макродефектов, называемых V-дефектами [186, 187], и срыву эпитаксиального роста.

Для диссоциации 1 моля двухатомных молекул в паровой фазе требуется затратить 54,2 ккал [188]. На поверхности, вследствие образования атомами теллура связей с поверхностью, энергия, требующаяся для разложения молекулы теллура, может снижаться. Однако низкая температура процесса кристаллизации требует, чтобы энергия активации распада молекулы теллура была близка к нулю или же распад молекулы был энергетически выгоден. Был проведен оценочный расчет, из которого следует, что на сингулярной поверхности энергия распада молекулы теллура может снизиться до ккал/моль. Диссоциация молекулы теллура будет энергетически выгодна у ступени. Из расчета следует, что при удачной конфигурации ступени диссоциация может сопровождаться выигрышем энергии в 10 ккал/моль.

Проведенное рассмотрение позволяет предложить надежный способ облегчения диссоциации молекул теллура - использование подложек, отклоненных от сингулярных ориентаций [189]. Другие способы, предложенные для диссоциации теллура (например, использование источника с крекингом и облучение поверхности светом), менее эффективны. В случае крекинга происходит рекомбинация атомов теллура на поверхности с образованием молекулярного теллура, а при облучении поверхности светом мала эффективность диссоциации.

Следует отметить, что характер микрорельефа поверхностей подложки и растущей пленки также может влиять на нарушения совершенного роста КРТ. Скорость диссоциации теллура определяется плотностью и конфигурацией ступеней на поверхности. Если происходит фасетирование, то образуются участки поверхности, на которых плотность и конфигурация ступеней отличается от таковых на исходной поверхности. Если плотность ступеней недостаточна, то двухатомный теллур накапливается на поверхности и, в конечном счете, встраивается в решетку, создавая или антиструктурные дефекты, или конфигурации, соответствующие границе плоскости двойникования.

Таким образом, для выращивания КРТ методом МЛЭ оптимальной ориентацией поверхности подложки является та, для которой выполняются три следующих условия.

1. Коэффициент встраивания атомов ртути должен быть максимально высок.

2. Диссоциация двухатомных молекул теллура происходит с преодолением более низкого активационного барьера.

3. Поверхность должна быть морфологически стабильной как можно в более широком диапазоне условий роста.

6.1. Зависимость минимального давления паров Hg от ориентации подложки В пионерских работах, посвященных МЛЭ КРТ [47], было установлено, что максимальный коэффициент встраивания атомов ртути имеет место в случае роста на поверхности (111)В. Однако плоскость (111) является плоскостью двойникования, поэтому в слоях, выращенных на подложках ориентированных по плоскости (111), содержится много двойников и дефектов упаковки.

В 1988 году в работе Костнера и Шааки (Koestner and Shaake) [16] было показано, что, используя подложки CdZnTe с ориентацией (112)В, можно подавить процессы двойникования, сохранив при этом высокий коэффициент встраивания атомов ртути.

После чего подложки, ориентированные по плоскости (112)В, стали наиболее часто использоваться для молекулярно-лучевой эпитаксии твёрдых растворов CdxHg1-xTe [190, 191].

Нами были проведены исследования кинетики роста слоев HgTe и CdHgTe на поверхности (310). Слои HgTe выращивались на подложках GaAs(310) и GaAs(100) с буферными слоями из ZnTe толщиной 0,1 мкм и CdTe толщиной 6 мкм. Температура подложки в процессе роста контролировалась бесконтактной термопарой и составляла 180-185 0С. Скорость роста плёнок HgTe определялась in-situ методом эллипсометрии.

Метод эллипсометрии помимо скорости роста позволяет с высокой точностью контролировать рельеф растущей плёнки и за счёт этого определять момент перехода от монокристаллического роста к поликристаллическому, а также момент образования фазы кристаллического теллура на поверхности [192].

Эксперимент проводился на установке молекулярно-лучевой эпитаксии «Обь-М», в которой источник ртути имеет следующую конструкцию. За пределами ростовой камеры установлен испаритель ртути, в котором происходит генерация паров ртути, поступающих по паропроводу внутрь ростовой камеры в рассеиватель. Рассеиватель паров ртути имеет вид кольца, расположенного вокруг носителя, в котором закреплена подложка с растущей плёнкой, благодаря чему достигается равномерное распределение потока ртути по площади ростовой поверхности. Для избегания конденсации паров ртути в паропроводе и рассеивателе установлены нагреватели, которые поддерживают определённую температуру в них. Экспериментально установлено, что давление паров ртути в ростовой камере зависит от температуры ртутного испарителя и слабо зависит от температуры рассеивателя и паропровода. Давление ртути контролировалось ионизационным вакуумметром ВИ-14, датчик давления находился на одном уровне с подложкой, с внешней стороны кольцевого ртутного рассеивателя. Так как давление ртути соответствовало переходному режиму между молекулярным и вязкостным потоком, можно считать изменения давления в зоне датчика равным изменениям давления паров в месте расположения носителя с растущей плёнкой.

Эквивалентное давление паров теллура определялось следующим образом. В начальный период роста плёнки изменение эллипсометрических параметров во времени имеют вид затухающих осцилляций. Из периода осцилляций определялась скорость роста HgTe. Определив скорость роста плёнки, и зная толщину монослоя теллурида ртути и плотность атомов в нём, можно рассчитать поток теллура. Полагается, что весь теллур, приходящий на поверхность растущего кристалла, расходуется на рост HgTe. Реиспарение теллура не происходит, так как температура подложки во время роста, равная 180-185 0С, недостаточна для реиспарения теллура. Эквивалентное давление теллура можно рассчитать из формулы:

F (Te2 ) (3,51 10 22 P) /( MT ) 0,5, где F(Te2) – поток теллура, P – эквивалентное давление, M – молекулярная масса Te2, а T – температура источника теллура, в нашем случае равная 3500 C.

При проведении экспериментов по выращиванию плёнок на подложках различных ориентаций начальные условия устанавливались одинаковыми. Давление паров ртути в начале роста составляло 310-2 Па. Скорость роста при таком давлении паров ртути составляла 2 мкм/час, что по нашим расчётам соответствовало эквивалентному давлению паров теллура равному, 6.7310-4 Па.

При достижении пленкой HgTe толщины 0,5 мкм, в автоматическом режиме проводилось понижение температуры источника ртути со скоростью 0,20 С в минуту.

Температура источника теллура при этом не менялась. Давление паров ртути в ростовой камере изменялось синхронно с изменением температуры ртутного источника.

Одновременно с изменением условий роста проводилось измерение эллипсометрических углов На рисунке 6-1 представлены зависимости эллипсометрических параметров от давления ртути при росте плёнки HgTe на подложках CdTe/GaAs различных ориентаций.

Рост монокристаллических плёнок HgTe на подложке с ориентацией (310) (рис. 6-1а) начинался при давлении ртути, равном 310-2 Па, и продолжался до того момента, пока давление ртути ни падало до 510-3 Па. Эллипсометрические параметры при этом не менялись, что свидетельствовало о том, что изменений морфологии и состава поверхности растущей плёнки не происходило. При достижении давления 510-3 Па происходило резкое изменение эллипсометрических параметров пси и дельта. В этот момент рост плёнки HgTe останавливался.

На рисунке 6-2а данный участок зависимости представлен на пси-дельта плоскости. Такая номограмма свидетельствует о появлении слоя кристаллического теллура на поверхности плёнки HgTe.

При выращивании HgTe на подложке с ориентацией (100) диапазон давлений ртути, при которых эллипсометрические параметры сохраняли значения, близкие к исходным, был существенно меньше и составлял от 3,110-2 Па до 210-2 Па (рис. 6-1б). В этом интервале давлений значение угла оставалось неизменным, тогда как величина угла плавно увеличивалась. При достижении давления 210-2 Па эллипсометрические параметры и начинали уменьшаться, и после того, как значение угла упало на градусов, рост был остановлен. На рисунке 6-2б в пси-дельта плоскости представлены изменения эллипсометрических параметров во время роста плёнки ориентации (100).

Такая номограмма свидетельствует о сильном развитии рельефа на поверхности растущей плёнки [192].

На рисунке 6-3 представлены картины дифракции быстрых электронов от поверхностей плёнок HgTe ориентации (310) (рисунок 6-3а) и (100) (рисунок 6-3б).

Данные картины получены от образцов, процесс выращивания которых описан выше, непосредственно после остановки роста. На рисунке 6-3а видны два типа дифракционных рефлексов – это полукольца, свидетельствующие о наличии на поверхности какого-то поликристаллического образования, и вертикальные рефлексы, соответствующие атомно гладкой монокристаллической поверхности HgTe(310). Такая дифракционная картина может получиться только в том случае, если верхний поликристаллический слой очень тонкий и несплошной. Совсем другую дифракционную картину видно на рисунке 6-3б.

Поликристаллических полуколец не наблюдается, а наблюдаются множество точечных рефлексов, часть из которых находится в двойниковом положении. Кроме того, на дифракционной картине видны наклонные рефлексы от фасеток. Такая дифракционная картина свидетельствует о развитии рельефа на поверхности плёнки в процессе роста и образовании двойников.

151 17, 16, Y, град D, град 16, 145 15, 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 PHg, Па а 152 150 15, 148 15, Y, град D, град 146 15, 144 15, 142 15, 0,035 0,03 0,025 0,02 0, PHg, Па б Рис. 6-1. Зависимости эллипсометрических параметров от давления ртути во время роста плёнок HgTe: а) на подложке с ориентацией поверхности (310);

б) на подложке с ориентацией поверхности (100). Кривая 1 – зависимость угла «дельта» от давления Hg, кривая 2 – зависимость угла «пси» от давления Hg.

D, град 15,6 16 16,4 16,8 17, Y, град а D, град 15,5 15,6 15,7 15,8 15, Y, град б Рис. 6-2. Изменения эллипсометрических параметров в процессе роста плёнок HgTe на подложках с ориентациями поверхностей: а) (310);

б) (100).

Стрелками показано направление изменений эллипсометрических параметров при уменьшении давления ртути.

а б Рис. 6-3. Дифракционные картины от поверхностей плёнок HgTe после окончания роста, в процессе которого происходило уменьшение давления ртути. а - поверхность (310), б поверхность (100).

Таким образом, можно утверждать, что рост плёнки HgTe на поверхности CdTe/GaAs (310) проходил без критических изменений во всём исследуемом диапазоне давлений ртути. При минимальном давлении паров ртути (510-3 Па) из-за недостатка ртути на поверхности образовался слой поликристаллического теллура. Плёнка HgTe при этом до последнего момента оставалась монокристаллической и гладкой. При росте плёнки HgTe на поверхности (100) с уменьшением давления ртути уже при давлении 210-2 Па происходит необратимое ухудшение рельефа и понижение структурного совершенства растущей плёнки.

На рисунке 6-4 приведены минимальные давления ртути, при которых возможен рост монокристаллических плёнок HgTe для различных ориентаций поверхности подложки. Рисунок 6-4 построен на основании данных из работ [47] и [16] и наших собственных результатов. Показаны относительные давления ртути, так как для сравнения абсолютных давлений нужно учитывать отношение потоков ртути и теллура, приходящих на поверхность. Так как минимально возможное давление ртути для роста плёнок HgTe достигается при росте на поверхности с ориентацией (111)В [47], то это давление принято за единицу. Минимальное давление необходимое для роста на поверхности (111)В ниже в 4,4 раза, чем на поверхности (100), и в 9 раз, чем на поверхности (111)А [47], поэтому давления, необходимые для роста на этих поверхностях, на рисунке приняты соответственно за 4,4 и 9.

Нами определено, что минимальное давление паров ртути, необходимое для роста совершенной плёнки HgTe на поверхности (310), в четыре раза ниже минимального давления ртути для роста на поверхности (100). Поэтому минимальное давление ртути для грани (310) мы взяли равным 1,1. По данным, приведенным в статье [16], давление паров ртути, необходимое для роста плёнки на поверхности (112)В, в три раза меньше, чем давление, необходимое для роста на поверхности (100). Исходя из этого, мы взяли минимальное давление ртути для грани (112)В равным 1,5. Из рисунка видно, что подложки, ориентированные по плоскостям (111)В, (112)В и (310), позволяют выращивать слои HgTe при наименьших давлениях паров ртути и что минимальное давление ртути для ориентации (310) ниже, чем для ориентации (112)В.

Сравнение абсолютных значений давлений паров Hg и Te2, полученных нами и авторами работы [16], невозможно в связи с тем, что измерение потоков молекул теллура проводилось в разных условиях. В работе [16] давление паров теллура определялось из скорости напыления теллура на поверхность кремния в отсутствии паров ртути. Нами давление паров теллура определено непосредственно в процессе роста, исходя из скорости роста плёнки HgTe.

При сравнении давлений теллура в нашем эксперименте с результатами работы [16] необходимо учитывать, что при давлении паров в камере выращивания в интервале от 610-2 Па до 510-3 Па реализуется уже не молекулярный режим течения газов, а переходный между молекулярным и вязкостным режимами. При этом происходит достаточно сильное взаимодействие между молекулами ртути и теллура по пути к подложке и часть молекул теллура рассеивается, а часть взаимодействует с образованием частиц HgTe в паровой фазе. Снижение давления ртути способствует повышению доли теллура, поступающего на поверхность образца. На рисунке 6-5 показано изменение скорости роста теллурида ртути и эквивалентного давления паров теллура перед поверхностью растущей плёнки в зависимости от давления ртути при постоянной температуре источника теллура. Из рисунка видно, что снижение давления ртути от 5,510-2 Па до 210-2 Па, приводит к увеличению скорости роста и, соответственно, к увеличению эквивалентного давления паров теллура почти в два раза. Данная зависимость подтверждает наше утверждение о том, что в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии ртуть содержащих соединений происходит существенное рассеивание молекул теллура на атомах ртути.

(111)В (310) (100) (111)А (112)В 4, 1 (111)В (310) (112)В 1 1,1 1,5 Рис. 6-4. Минимальные относительные давления паров ртути, необходимые для эпитаксиального роста HgTe на подложках различной ориентации.

10 Скорость роста, мкм/час PТе2 х 10, Па 8 - 6 4 0,02 0,03 0,04 0,05 0, PHg, Па Рис. 6-5. Зависимость скорости роста плёнки и эквивалентного давления теллура от давления паров ртути. Температура источника теллура 3500С 6.2. Зависимость скорости диссоциации молекул Те2 от ориентации подложки 6.2.1. HgTe Низкая скорость диссоциации молекул Те2 приводит к тому, что двухатомный теллур, не имея возможности реиспариться из-за низкой температуры роста, накапливается на поверхности. Высокий оптический контраст между теллуридом ртути и элементарным теллуром позволяет с высокой степенью достоверности регистрировать адсорбционный слой теллура с эквивалентной толщиной 0,2 А при помощи одноволновой эллипсометрии (глава 4).

На рисунке 6-6 представлены изменения эллипсометрических параметров в процессе роста HgTe с ориентациями поверхности (100) и (310) при закрытии и открытии заслонки источника теллура. Видно, что при перекрытии потока теллура при росте на поверхности с ориентацией (100) происходит изменение параметров поверхностного слоя, после чего, в момент восстановления потока теллура на поверхность параметры возвращаются в исходное состояние. Это изменение можно интерпретировать следующим образом [144]. На поверхности HgTe(100) в процессе роста присутствует адсорбционный слой теллура, атомы которого после перекрытия потока теллура либо испаряются с поверхности, либо реагируют с атомами ртути, образуя HgTe, при этом происходит уменьшение толщины адсорбционного слоя. При возобновлении потока теллура на поверхность образца адсорбционный слой на поверхности восстанавливается в своём первоначальном виде.

Для пересчета изменения эллипсометрических параметров в толщину адсорбированного слоя теллура была рассчитана номограмма, связывающая количество элементарного теллура на поверхности с изменением эллипсометрических параметров относительно чистой поверхности HgTe. Расчет номограммы был проведен при рассмотрении отражения света от субмонослойного покрытия в рамках модели однородного слоя, оптические постоянные которого определяются природой валентной связи в молекуле теллура. Толщина слоя пропорциональна плотности адсорбированных атомов и при 100% покрытии равна толщине одного монослоя [141]. В приближении Друде рост такого слоя должен сопровождаться линейными изменениями эллипсометрических параметров в - плоскости. При расчете оптические постоянные однородного слоя теллура были взяты из [39].

Из изменений эллипсометрических углов толщина адсорбционного слоя теллура на поверхности растущей плёнки HgTe(100) в данном эксперименте эквивалентна ангстрему. Во время роста HgTe на поверхности (310) при открытии – закрытии источника теллура изменений эллипсометрических углов не происходит (см. рис. 6-6), что указывает на отсутствие адсорбционного слоя теллура на поверхности HgTe(310).

Толщина адсорбционного слоя теллура при росте на поверхности (100) зависит от давления паров ртути. Чем выше давление паров Hg, тем меньше толщина адсорбционного слоя (см. рисунок 6-7). Увеличение толщины адсорбционного слоя теллура при понижении давления паров ртути происходит в силу двух причин. Во-первых, молекулы теллура частично рассеваются на атомах ртути, что приводит к повышению доли теллура, поступающего на поверхность образца. Во-вторых, теллур из адсорбционного слоя расходуется на образование HgTe и чем больше давление ртути, тем быстрее протекает эта реакция.

Из рисунка 6-6 видно, что наличие адсорбционного слоя теллура приводит к увеличению значения угла. Проведенные расчеты также показывают, что увеличение толщины адсорбционного слоя теллура на поверхности HgTe приводит к увеличению значения угла при практически неизменном значении угла. Исходя из этого, можно интерпретировать представленные на рисунке 6-1 зависимости эллипсометрических углов от давления ртути в процессе роста HgTe следующим образом. Снижение давления ртути при росте на подложке, ориентированной по плоскости (100), приводит к увеличению толщины адсорбционного слоя теллура (значение угла увеличивается). После того, как количество теллура в адсорбционном слое достигнет некой критической величины (по нашем оценкам, это 0,3 – 0,5 монослоя), на ростовой поверхности начинается образование структурных и морфологических дефектов и вызванное ими развитие рельефа, что, в свою очередь, приводит к уменьшению значений углов и. При росте HgTe на подложке, ориентированной по плоскости (310), понижение давления паров ртути вплоть до величины 810-3 Па не приводит к увеличению количества теллура в адсорбционном слое, толщина которого остается меньше чувствительности эллипсометра. И, соответственно, не происходит образования дефектов и развития рельефа (значения углов и не меняются). При дальнейшем понижении давления паров ртути количество атомов ртути в адсорбционном слое становиться меньше атомов теллура и происходит конденсация элементарного теллура. Нами дополнительно были измерены методом эллипсометрии толщины адсорбционных слоев теллура на поверхности HgTe(310). Было установлено, что в широком диапазоне условий роста толщина адсорбционного слоя теллура на поверхности HgTe(310) ниже погрешности измерений.

15, 1 15, 15, Y, град 15, 15, (100) (310) 15, 500 700 900 Время, с Рис. 6-6. Изменения эллипсометрического угла при перекрытии потока теллура в процессе роста HgTe с ориентациями поверхности (100) и (310). Стрелками показаны: 1 – момент перекрытия потока теллура, 2 – момент возобновления поступления теллура на ростовую поверхность. Температура образца –1800С, эквивалентное давление теллура в потоке – 710-4 Па, давление паров Hg – 2,310-2 Па.

0, Толщина адслоя Te, A 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0, PHg, Па Рис. 6-7. Зависимость толщины адсорбционного слоя теллура, накапливающегося на поверхности HgTe(100) в процессе роста, от давления ртути. Температура образца – 1800С, эквивалентное давление теллура в потоке – 510-4 Па.

Совокупность полученных результатов означает, что скорость диссоциации двухатомных молекул теллура на поверхности HgTe(310) существенно выше, чем на поверхности HgTe(100). Сделать количественные оценки скорости диссоциации не представляется возможным. Однако можно утверждать, что на поверхности (310) скорость диссоциации такова, что в реальных условиях молекулярно-лучевой эпитаксии теллур на фронте кристаллизации присутствует преимущественно в одноатомном виде.

6.2.2. CdHgTe В случае перехода от HgTe к CdHgTe определение толщины адсорбционного слоя Те становится более сложной задачей, так как помимо процессов адсорбции – десорбции возможно изменение состава приповерхностного слоя, что также будет сказываться на эллипсометрических измерениях. Для проверки наличия адсорбционного слоя теллура в процессе роста эпитаксиального слоя КРТ (температура подложки составляла 180-185 0С, состав растущего слоя x=0,2, скорость роста составляла 8.3 ангстрема в секунду, что соответствовало потоку теллура на поверхность подложки 1,351015 атомов в секунду на квадратный сантиметр подложки) перекрывался поток теллура на поверхность образца, вследствие чего с поверхностью образца взаимодействовали только пары кадмия и ртути.

При этом на поверхности происходили некоторые процессы, результат которых отражался в изменении эллипсометрических параметров пси и дельта. Через некоторое время заслонка источника теллура открывалась, рост плёнки КРТ продолжался, что, опять же, отражалось на эллипсометрических параметрах и.

14, 160, 1 14, 14, Y, град D, град 159, 159 14, 158, 13, 157, 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 500 Время, c Время, c Рис. 6-8. Изменение эллипсометрических параметров во время роста твёрдого раствора CdHgTe. 1 - закрытие источника теллура;

2 – открытие источника теллура.

Изменения эллипсометрических параметров и в процессе описываемого эксперимента на подложке с ориентацией (310) представлены на рис. 6-8. Точка соответствует моменту закрытия заслонки источника теллура, точка 2 соответствует моменту открытия заслонки источника теллура и возобновлению роста КРТ. В первые несколько секунд после перекрытия потока теллура наблюдается резкое уменьшение значений эллипсометрических углов, которое в дальнейшем сменяется плавным спадом.

После открытия заслонки теллура наблюдаются затухающие осцилляции эллипсометрических параметров. Эти осцилляции свидетельствуют о существенном различие оптических свойств растущего слоя КРТ и слоя, непосредственно на котором происходит рост. Так как после затухания осцилляций значения эллипсометрических параметров растущего слоя КРТ не отличаются от параметров слоя КРТ, растущего до закрытия заслонки, можно сделать вывод, что изменения оптических показателей слоя произошли в тот промежуток времени, когда заслонка источника теллура была закрытой.

Предположительно, на поверхности образца при перекрытии потока теллура могут происходить три процесса:

1) уменьшение адсорбционного слоя Те;

2) образование на поверхности образца слоя CdTe как за счёт реакции атомов Те из адсорбционного слоя с атомами Cd в паровой фазе, так и за счёт выхода атомов ртути из образца в вакуум;

3) диффузия атомов ртути из глубины растущего слоя КРТ в приповерхностную область образца.

Плавное падение эллипсометрических параметров со временем можно объяснить диффузией атомов ртути из глубины образца в приповерхностную область. Если построить зависимость эллипсометрических параметров от квадратного корня из времени, пример которой представлен на рис. 6-9, то заметно, что с течением времени она приобретает линейный вид. Так как диффузионные процессы протекают пропорционально квадратному корню от времени, то данное обстоятельство косвенно подтверждает гипотезу о возможной диффузии атомов ртути. Резкое изменение параметров в первый момент времени объясняется какими-то другими процессами.

Для анализа экспериментальных данных были рассчитаны номограммы, соответствующие изменению эллипсометрических параметров при удалении слоя теллура с поверхности КРТ и образованию слоя CdTe. На рис. 6-10а в пси-дельта плоскости представлены рассчитанные номограммы с наложенными на них экспериментальными результатами.

159, 159, D, град 158, 158, 158, 158, 0 2 4 6 8 10 12 14 1/2 1/ Время, сек Рис. 6-9. Зависимость изменения угла дельта от корня из времени после закрытия источника теллура.

159,5 159, 159,1 159, Удаление слоя Те Удаление слоя Те 158, D, град 158, D, град 158,3 Рост 158,3 Рост слоя CdTe слоя CdTe 157, 157, 157, 157, 14,3 14,32 14,34 14,36 14,38 14,4 14,42 14,44 14, 14,3 14,32 14,34 14,36 14,38 14,4 14,42 14,44 14, Y, град Y, град а б Рис. 6-10. Расчётные номограммы изменения толщины слоев Te и CdTe на поверхности Cd0,2Hg0,8Te. Расстояние между прямыми линиями 1 ангстрем. Символы экспериментальное изменение эллипсометрических параметров после перекрытия потока Те2. а - поверхность (310);

б - поверхность (100).

Каждая точка на прямой соответствует удалению или образованию 1 ангстрема соответствующего слоя. Из рисунка видно, что существенного изменения толщины адсорбционного слоя теллура на поверхности растущего слоя CdHgTe(310) не происходит. Изменения эллипсометрических параметров в течение первых секунд после закрытия заслонки соответствуют увеличению толщины слоя CdTe на поверхности образца. Это явление можно объяснить тем, что атомы ртути в поверхностном слое КРТ, обладающие большой подвижностью при температурах роста КРТ, без диффузии выходят из приповерхностного слоя образца и замещаются атомами кадмия. В таком случае, изменение состава в приповерхностном слое, а, следовательно, и изменение эллипсометрических параметров, в результате такой реакции замещения можно описать формулой x = x0 exp(-kt), (6-1) где k- константа, отвечающая за скорость реакции. Для определения константы k были проведены измерения изменения эллипсометрических параметров от времени после перекрытия потока теллура с шагом 20 миллисекунд. Из измеренных зависимостей были вычтены «диффузионные» части и полученные кривые аппроксимированы формулой (6 1), результаты представлены на рисунке 6-11. Точками показан результат экспериментальных измерений, линиями показаны результаты аппроксимации с различными значениями константы k, которая являлась подгоночным параметром.

Наибольшее совпадение расчётной и экспериментальной кривых достигается при значении k = 0,8 с-1.

На рисунке 6-12 схематично показана атомарная структура поверхности КРТ, где серые кружки обозначают атомы Te, а белые – атомы металла (Cd или Hg). Цифры на кружках обозначают глубину залегания атомов с дискретой 1.02 А, равной расстоянию между ближайшими атомными слоями КРТ. Структура поверхности CdHgTe(310) позволяет предположить, что в приповерхностном слое КРТ присутствуют атомы ртути, которые, видимо, могут замещаться кадмием без преодоления значительного диффузионного барьера. Из эллипсометрических измерений следует (рисунок 6-9а), что толщина слоя CdTe, образующегося на поверхности (310)КРТ, за вычетом диффузии составляет 5 А (примерно 4 атомных слоя на рис. 6-11). По-видимому, атомы ртути, залегающие на глубинах до 4-5А, способны бездиффузионно замещаться атомами кадмия, тогда как замещение на более высоких глубинах залегания требует преодоления диффузионного барьера.

0, 0, Изменение D, град 0, 0, 0 1 2 3 4 5 6 7 Время, c Рис. 6-11. Изменения угла дельта после закрытия источника теллура с вычетом процесса диффузии ртути на поверхность.

Рис. 6-12. Поверхность КРТ (310): а – вид сверху, б – сечение плоскостью (001).

Нумерация атомов соответствует расстоянию от атома до поверхности: 1- самый близкий к поверхности, 10 – самый дальний.

Аналогичный эксперимент был проведён на плёнках КРТ, выращиваемых на подложках GaAs(100). Вид полученных зависимостей на пси-дельта плоскости представлен на рисунке 6-10б. Видно, что характер зависимостей несколько изменился. В данном случае изменение эллипсометрических параметров в первый момент после закрытия заслонки источника теллура можно интерпретировать как удаление теллура в количестве, эквивалентном толщине 1,0 ангстрем и одновременное образование слоя CdTe толщиной 2 ангстрем. Можно предположить, что весь остаточный слой теллура на поверхности взаимодействует с парами кадмия с образованием теллурида кадмия. Далее нами была рассчитана скорость, с которой происходит образование CdTe, принимая плотность атомов на поверхности (100) равной 4,81014 см-2 и толщину монослоя CdTe равной 3 ангстремам. Она составила 1,21014 молекул CdTe в секунду на квадратный сантиметр. Скорость поступления атомов кадмия на поверхность была рассчитана, исходя из скорости роста КРТ состава x=0.2, равной 8.3 ангстрема в секунду, и составила 2. атомов в секунду на квадратный сантиметр. Видно, что в образовании CdTe участвует примерно половина атомов кадмия, поступающего на поверхность, и количество образовавшегося теллурида кадмия обусловлено количеством теллура в адсорбционном слое. Изменение эллипсометрических параметров через долгое время после закрытия заслонки источника теллура не отличается от вышеописанного случая с поверхностью (310) и тоже имеет диффузионный характер.

Таким образом, можно сказать, что в первый момент после закрытия заслонки при росте CdHgTe(100) происходит реакция адсорбционного слоя теллура с парами кадмия с образованием CdTe. В отличие от поверхности (100), на поверхности (310) происходит замещение атомов ртути кадмием в приповерхностном слое без изменений толщины адсорбционного слоя теллура. В дальнейшем процесс имеет схожий характер на обеих поверхностях - происходит диффузия атомов ртути в приповерхностный слой КРТ и дальнейшая их десорбция.

Низкие значения допустимых давлений паров ртути и отсутствие адсорбционного слоя теллура говорят об отсутствии затруднений при протекании процессов кристаллизации плёнок КРТ и HgTe на поверхности (310), что связано с высокой плотностью ступеней на поверхности (310), облегчающих диссоциацию двухатомных молекул теллура.

6.3. Влияние ориентации подложки на условия выращивания пленок CdHgTe методом МЛЭ Костнер и Шааки изучали рост HgCdTe, HgTe и CdTe на подложках CdZnTe с ориентациями (100), (111)В, (112)А и (112)В [16]. Основные результаты их исследования состоят в следующем: на поверхностях (111)В и (112)В коэффициент встраивания ртути выше, чем на поверхностях (100), (111)А и (112)А;

в отличие от поверхности (111)В, при росте на поверхности (112)В не происходит образования двойников;

по сравнению с поверхностями (100) и (112)А рост монокристаллического КРТ на поверхности (112)В возможен в очень узком диапазоне давлений ртути. С тех пор свойства эпитаксиального КРТ существенно улучшились, в основном благодаря улучшению качества подложек CdZnTe и лучшему пониманию процессов, происходящих при МЛЭ. Большинство авторов проводит рост КРТ на поверхности с ориентацией (112)В, однако данная ориентация имеет один, но очень существенный недостаток - очень узкий диапазон давлений ртути, при которых возможен рост совершенных слоев КРТ. Костнер и Шааки определили, что при постоянном потоке теллура изменение потока ртути в два раза полностью перекрывает диапазон бездефектного роста КРТ. В дальнейшем было установлено, что этот диапазон ещё уже. Так, например, в работе [193] показано, что даже при изменении соотношения потоков ртути и теллура на 20% от оптимального, существенно ухудшаются электрофизические свойства плёнок КРТ, выращенных на поверхности с ориентацией (112)В. В свою очередь, возможность варьировать температуру подложки ограничена диапазоном 50С, выход за пределы которого также приводит к необратимым ухудшениям параметров пленки [194]. На рисунке 6-13а представлена зависимость плотности поверхностных дефектов от условий роста, взятая из работы [195].

Данный рисунок наглядно демонстрирует, насколько сложно выращивать высококачественные слои КРТ, используя подложки ориентированные по плоскости (112). Незначительное повышение температуры роста или снижение давления паров ртути приводит к образованию v-дефектов и поликристаллическому росту. Тогда как снижение температуры роста или повышение давления паров ртути приводит к образованию двойников и дефектов упаковки. И только в очень узком диапазоне условий роста получаются пленки КРТ с низкой плотностью дефектов, которая обусловлена дефектами подложки (дефекты типа 3 на рисунке) и высокими электрофизическими параметрами.

Рост многослойных структур для двухцветных фотоприемников или сверхрешеток ещё более технически сложен, так для слоев с различным составом оптимальные температуры подложки и соотношения потоков являются разными [196].

100 Тип Относительное давление Тип Тип 2 или Тип паров Hg, Hg/Te двойникование "voids" или поликристалл 160 165 170 175 180 185 190 195 Температура роста (0C) а Тип Тип 2 или Тип Относительное давление паров Hg, Hg/Te поликристалл 170 175 180 185 190 195 Температура роста ( C) б Рис. 6-13. Зависимость плотности поверхностных дефектов от условий роста слоев CdHgTe. а – CdHgTe(112)В, б – CdHgTe(310) 0, 0, Cостав, XCdTe 0, 0, 0, 1 0, 0, 0 2 4 6 8 10 12 14 Толщина, мкм Рис. 6-14. Распределение состава в пленке CdxHg1-xTe по толщине.

Проведенные нами исследования показали, что рост на поверхности (310) возможен в более широком диапазоне условий, который ограничен только дефицитом ртути (см. рис. 6-13б), так как избыток Hg, как и других металлов II группы, не вызывает морфологических перестроек поверхности и соответственно не происходит интенсивного двойникования, как на поверхности (112)В. Слабая зависимость плотности дефектов от условий роста позволяет нам выращивать слои КРТ со сложным профилем состава по толщине, изменяя температуру только одного источника (кадмия или теллура). На рисунке 6-14 представлен профиль состава в слое КРТ, используемом для создания матричного фотоприемника.

В этой структуре легированный индием до 1017 см-3 слой 1 снижает слоевое сопротивление и выполняет функцию которотковолнового отрезающего фильтра.

Слой 2 - разделяет носители заряда, генерированные в слоях 1 и 3.

Нелегированный слой 3 является рабочим слоем.

Слои 4 - широкозонный слой подавляющий поверхностную рекомбинацию.

Данный образец был получен в условиях, когда температура подложки и давления паров Cd и Hg были постоянными, а менялся только поток молекул Te2. Изменение мольной доли CdTe в твердом растворе HgCdTe при изменении плотности потока Te вызвано тем, что энергия связи Cd-Te выше энергии связи Hg-Te, и поэтому реакция образования теллурида кадмия предпочтительна по сравнению с реакцией образования теллурида ртути. Попадающий на поверхность Te, в первую очередь, связывается с Cd, а связи с Hg образуют только те атомы Te, которым не хватило атомов Cd для образования CdTe. Так как рост происходит в условиях существенного избытка Hg, то увеличение потока Te2 приводит к уменьшению состава (х) твердого раствора Hg1-хCdхTe и одновременно к увеличению скорости роста, и наоборот. Соответственно, в процессе роста структур, подобных представленной на рисунке 6-13, соотношение потоков Hg/Te и скорость роста меняются в несколько раз. Однако столь существенные изменения условий роста не приводят к увеличению плотности v-дефектов по сравнению с образцами постоянного состава, выращенными в постоянных условиях. Что ещё раз подтверждает, что рост КРТ на поверхности (310) возможен в более широком диапазоне условий роста по сравнению с поверхностью (112)В.

Зарождение v-дефектов преимущественно происходит вблизи границы с буферным слоем. Оптимизировав предэпитаксиальную подготовку подложек и режимы роста буферных слоев, удается получать слои КРТ на подложках, ориентированных по плоскости (310), с плотностью v-дефектов на уровне 102 см-2 для подложек из арсенида галлия и на уровне 103см-2 для подложек из кремния (см. рис. 6-15).

б а Рис. 6-15. Распределение плотности V-дефектов по площади гетероструктуры HgCdTe/GaAs(310) (а) и по площади гетероструктуры HgCdTe/Si(310) (б).

Большая плотность v-дефектов в гетероструктурах HgCdTe/Si(310) по сравнению с гетероструктурами HgCdTe/GaAs(310), на наш взгляд, вызвана большей плотностью морфологических дефектов и большей высотой рельефа в буферных слоях, выращенных на подложках из кремния, по сравнению с буферными слоями на подложках из арсенида галлия. В свою очередь, различие в морфологии буферных слоев, выращенных на разных подложках, вызвано различием в кинетике формирования границы раздела ZnTe-Si(310) и ZnTe-GaAs(310) (смотри главу 4).

Выводы к главе 1. Установлено, что минимальное давление паров Hg, необходимое для роста CdHgTe на поверхности (310), в 4 раза меньше, чем на поверхности (100). Минимальное давление паров Hg, необходимое для роста CdHgTe на поверхностях (111)В и (112)В, в 4, и 3 раза меньше, чем на поверхности (100), соответственно. Рост монокристаллических слоев CdHgTe на поверхности (310), как и на поверхностях (111)В и (112)В, возможен при пониженных давлениях ртути.

2. Диссоциация двухатомных молекул теллура на поверхности CdHgTe (310) происходит с преодолением более низкого активационного барьера, в результате чего в процессе роста (в пределах ошибки измерения - 0,1 монослоя) не происходит образования адсорбционного слоя теллура, в отличие от поверхности CdHgTe(100), на которой в процессе роста происходит образование адсорбционного слоя теллура, эквивалентная толщина которого в зависимости от условий роста может достигать величины 1 ангстрем.

3. По сравнению с поверхностью CdHgTe(112)В поверхность CdHgTe(310) является морфологически стабильной в более широком диапазоне условий роста. Поэтому на поверхности (310) выращивание слоёв CdHgTe с высокими электрофизическими и структурными характеристиками возможно в более широком диапазоне давлений ртути и температур подложки, чем на поверхности (112)В, и ограничено только дефицитом ртути.

4. Из полученных результатов следует, что на поверхности с ориентацией (310) создаются наиболее благоприятные условия для молекулярно-лучевой эпитаксии HgTe и CdHgTe по сравнению с поверхностями, ориентированным по другим плоскостям.

5. Использование подложек, ориентированных по плоскости (310), позволяет получать слои КРТ с плотностью v-дефектов ~ 102 см-2 для подложек из арсенида галлия и ~ 103см-2 для подложек из кремния.

Глава 7.

Фотоэлектрические параметры гетероструктур CdxHg1-xTe/GaAs(310) и CdxHg1-xTe/Si(310) и фотоприемных устройств на их основе Какими бы высокими параметрами ни характеризовались буферные слои теллурида кадмия, выращенные на подложках из GaAs и Si, финальным критерием оценки пригодности альтернативных подложек для выращивания КРТ являются электрофизические свойства самого КРТ и параметры приборов на его основе. В данной главе будут рассмотрены электрофизические параметры гетероструктур КРТ, электрооптические параметры фотоэлементов на основе ГЭС КРТ МЛЭ и характеристики фотоприемных устройств на их основе.

7.1. Электрофизические параметры CdxHg1-xTe, выращенного на альтернативных подложках Наиболее важными параметрами, характеризующими твердые растворы CdxHg1-xTe, являются концентрация и подвижность основных носителей заряда, и время жизни неосновных носителей.

7.1.1. Нелегированные пленки CdxHg1-xTe(310) Непосредственно после выращивания независимо от используемой подложки (GaAs или Si) нелегированные пленки КРТ имеют n- тип проводимости. Концентрации носителей заряда в пленках n-типа лежат в интервале от 1.1014 см-3 до 1.1015 см-3 в независимости от состава выращенного слоя.

Оценочные расчеты равновесных концентраций донорных центров, вводимых как собственными точечными дефектами, так и наиболее вероятными примесями, показывают, что в условиях МЛЭ равновесные концентрации донорных центров не превышают уровень 107-1010 см-3. Модель неравновесного растворения дефектов в КРТ с учетом отклонения от равновесия предсказывает повышение концентрации антиструктурного теллура до значений 1014-1015 см-3. Совокупность экспериментальных фактов по влиянию условий отжига на свойства пленок КРТ позволяет предположить присутствие в пленках КРТ при использовании подложек GaAs и Si помимо подвижных акцепторных центров с переменной концентрацией также и донорных центров, концентрация которых зависит от условий выращивания. Было установлено, что основными донорными центрами в пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ, являются атомы теллура в антиструктурных положениях [183].

Значения подвижности электронов в слоях КРТ с разным составом могут меняться почти на два порядка. На рисунке 7-1 показана зависимость подвижности носителей в материале n-типа от состава рабочего слоя. Экспериментальные значения подвижности в гетероструктурах CdxHg1-xTe/GaAs(310) хорошо согласуются при температурах жидкого азота и комнатной с теоретическими (линии на рис.7-1) из работы [197], рассчитанными в предположении доминирующего рассеяния на оптических фононах. Подвижность для состава ХCdTe=0,158 достигает величины 710000 см2/Вс при температуре 77К и сравнима с подвижностью в лучшем объемном материале [197].

В слоях КРТ n-типа, выращенных на подложках из кремния, подвижность носителей несколько ниже, чем в слоях КРТ с одинаковым составом, выращенных на подложках из арсенида галлия (см. рис. 7-1), что, по-видимому, объясняется рассеянием носителей на дефектах кристаллической структуры, плотность которых существенно выше в слоях, выращенных на подложках из Si.

Одним из важнейших параметров материалов, используемых для изготовления фотоприемных устройств, является время жизни неосновных носителей заряда, величина которого в значительной степени определяется наличием в пленках центров рекомбинации. Имеются три основных генерационно-рекомбинационных механизма:

механизм Шокли-Рида, излучательный механизм и механизмы Оже. Излучательный генерационно-рекомбинационный механизм и механизмы Оже являются фундаментальными процессами типа «зона – зона», которые определяются электронной зонной структурой полупроводника. Рекомбинация Шокли-Рида происходит через энергетические уровни в пределах запрещенной зоны дефектов и примесей кристаллической решетки. Данные механизмы не являются фундаментальным ограничением рабочих характеристик детектора, так как управляются условиями выращивания и наличием дефектов.

Зависимость времени жизни неосновных носителей от состава пленки показана на рис.7-2. Сплошными линиями на рис. 7-2 показаны расчет времени жизни в соответствии с работами [198, 199]. Кривые 1 и 2 рассчитаны в предположении преобладания излучательной и Оже рекомбинации для пленок с концентрацией носителей 11014 см-3 и 510-14 см-3 соответственно. Кривые 3 и 4 рассчитаны для суммы всех трех механизмов рекомбинации в пленке с концентрацией носителей 51014 см-3 и концентрацией центров Шокли-Рида 51013 см-3 и 110-15 см-3, соответственно. При расчетах для Оже рекомбинации величина интеграла перекрытия |F1F2| = 0.15. Для рекомбинации Шокли Рида энергетическое положение центров рекомбинации бралось посредине запрещенной зоны и сечения захвата для электронов (n) и дырок (p) принимали n = 510-17 см2 и p = 510-16 см2.

Рис.7-1. Зависимость подвижности от состава пленок МЛЭ КРТ для 77 и 300К.

Сплошные линии – расчет, точки – экспериментальные значения подвижности электронов проводимости в пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ на подложках GaAs(310) и Si(310).

GaAs(310) Время жизни, мкс Si(310) 0, 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34 0, XCdTe Рис.7-2. Зависимость времени жизни фотовозбужденных носителей заряда от состава пленок МЛЭ КРТ для 77К. Сплошные линии – расчет, точки – экспериментальные значения времени жизни в пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ на подложках GaAs(310) и Si(310).

Слои КРТ с варизонными слоями на подложках из GaAs при 77К имеют высокие времена жизни неосновных носителей заряда, близкие к теоретическому пределу, и превосходят аналогичные, описанные в литературе [200]. В слоях КРТ, выращенных на подложках из кремния, время жизни неосновных носителей ниже, чем в слоях КРТ с одинаковым составом, выращенных на подложках из арсенида галлия (см. рис. 7-2), что, по-видимому, объясняется преобладанием механизма Шокли-Рида из-за высокой плотности дефектов кристаллической структуры в слоях, выращенных на подложках из Si.

Пленки n- типа переводятся в p-тип проводимости с концентрацией в интервале от 5 10 см-3 до 2.1016 см-3 при подвижностях 300- 600 см2/В.с и времени жизни неосновных. носителей 10-50 нс при низких концентрациях дырок при температуре отжига 2300С, температуре ртути 300С и продолжительности отжига 200 часов. Для термообработок использовались ампулы, заполненные газом (водородом или гелием). Зависимости результатов отжига от вида газа замечено не было. Ампула помещалась в двухзонную печь. Одна зона предназначалась для нагрева резервуара с ртутью, а вторая - для нагрева образца. Переход к p- типу проводимости является обратимым, отжиг при 2300С и температуре ртути выше 1800С вновь дает n- тип проводимости. В отличие от слоев n типа проводимости в слоях p-типа не наблюдается существенных различий между значениями подвижности основных носителей заряда и времени жизни неосновных носителей в пленках КРТ, выращенных на подложках из GaAs(310) и Si(310).

7.1.2. Легированные пленки CdxHg1-xTe(310) Для достижения долговременной стабильности электрофизических характеристик структур ГЭС КРТ МЛЭ, контролируемого управления уровнем легирования как электронного, так и дырочного, необходимо введение примесного легирования.

Выращиваемые в настоящее время структуры имеют фоновый донорный уровень легирования на уровне (15)1014 см-3. Для фотодиодных фотоприемников требуется концентрация носителей заряда (15)1015см-3 и (520)1015 см-3 для фоточувствительного слоя n- и p-типа проводимости, соответственно.

Наиболее применяемыми примесями для получения n- и p-типа проводимости являются индий и мышьяк, которые имеют низкий коэффициент диффузии при температурах роста КРТ [201].

При легировании индием концентрация электронов равна концентрации атомов индия в подрешетке металла. При МЛЭ для составов КРТ менее 0,7 молярных долей теллурида кадмия до концентраций 1018 см-3 атомы индия замещают атомы металла в КРТ [202].


При легировании индием в процессе выращивания пленок КРТ методом МЛЭ концентрация электронов в пленках (в диапазоне от 51014 до 21017 см-3) прямо пропорциональна уровню легирования [203]. Подвижность электронов уменьшается с ростом уровня легирования в соответствии с теоретическим расчетом [204], а величина подвижности несколько ниже расчетной.

Время жизни неосновных носителей при концентрации электронов 31015 см-3 в легированных индием образцах определяется механизмом рекомбинации Оже. В образцах с концентрацией ~ 51014 см-3 в области низких температур время жизни определяется совместным действием рекомбинации Оже и Шокли-Рида и составляет 4 – 6 мкс.

По величине времени жизни легированные индием пленки КРТ МЛЭ на подложках из GaAs(310) не уступают пленкам КРТ МЛЭ на согласованных подложках из CdZnTe [205].

Как и в случае с нелегированными образцами, в легированных индием слоях КРТ, выращенных на подложках Si(310), значения подвижности и времени жизни уступают значениям этих же параметров в ГЭС КРТ на подложках из GaAs(310) при той же зависимости от концентрации.

Для получения р-типа КРТ в методе МЛЭ в качестве акцепторной примеси используется мышьяк [201]. Однако поток мышьяка при испарении из элементарного мышьяка состоит из тетрамеров (As4) [206]. Коэффициент прилипания и, соответственно, встраивания в кристаллическую решетку таких молекул при оптимальных температурах роста 180 0С низкий. Следовательно, необходим большой поток мышьяка для получения требуемых концентраций носителей заряда. Для увеличения коэффициента прилипания при температуре роста 180 0С необходимо создать поток димеров мышьяка или атомов мышьяка. При температурах 800 0С происходит крекинг тетрамеров мышьяка в димеры.

Для перевода тетрамеров мышьяка в атомы требуются температуры крекинга более С, что трудно применить при МЛЭ КРТ. Нами разработан источник мышьяка для создания потока димеров мышьяка - As2.

При легировании мышьяком ГЭС КРТ МЛЭ имеют n-тип проводимости. Для активации акцепторных свойств мышьяка проводится двухстадийный отжиг:

высокотемпературная стадия при 360 С в течение 2 часов и низкотемпературная стадия при 210 0C в течение 24 часов. При высокотемпературной стадии происходит активация мышьяка (перевод атомов мышьяка в подрешетку теллура) и образование вакансий ртути.

Низкотемпературный отжиг в насыщенных парах ртути требуется для заполнения вакансий ртути. Данная технология позволяет получать легированные мышьяком слои КРТ р- типа с концентрацией до 1017 см-3.

Как следует из выше приведенных данных, фотоэлектрические характеристики выращиваемых на подложках из GaAs(310) ГЭС КРТ МЛЭ не уступают параметрам пленок КРТ МЛЭ на согласованных подложках из CdZnTe и соответствуют требованиям, предъявляемым при изготовлении фоточувствительных элементов как на основе фоторезисторов, так и на основе фотодиодов. Разработанная технология молекулярно лучевой эпитаксии слоев КРТ на подложках из GaAs, является основой для практических разработок и производства матричных фотоприемных систем как фоторезисторных, так и фотодиодных для обоих инфракрасных окон прозрачности атмосферы 3-5 и 8-14 мкм.

Параметры ГЭС КРТ МЛЭ на подложках из Si(310) существенно ниже предельных значений, однако, как будет показано ниже, данные гетероструктуры могут быть использованы для создания матричных фотодиодных приемников излучения как для средневолновой, так и для длинноволновой областей ИК спектра.

7.2. Параметры фоторезисторов из CdxHg1-xTe, выращенного на альтернативных подложках, и фотоприемных устройств на их основе Для изготовления фоторезисторов (ФР), охлаждаемых до температур жидкого азота, использовались слои КРТ n- типа проводимости. Пленки КРТ имели широкозонные варизонные слои у границы раздела пленка – подложка и у поверхности. Типичная толщина такого поверхностного слоя составляет 0,5 – 1,0 мкм с изменением состава на поверхности относительно состава рабочего слоя XCdTe = +(0.15 – 0.3) при толщине рабочего слоя 5-15 мкм.

ФР представляют собой мезоструктуры с активной площадью от 0,10,1 до 1,01, мм2 и изготавливаются по стандартной технологии с использованием низко температурной фотолитографии (Т90 C). В целях защиты боковой поверхности мезаструктур обычно проводилась дополнительная пассивация. Для пассивации использовались слои естественного окисла, SiO2, Si3N4 и ZnS. Слои ZnS также были использованы в качестве просветляющего покрытия [207].

Типичные параметры ФР (77К) с длинноволновым краем чувствительности (1/2) в области 10 – 12 мкм и менее соответствуют приводимым в литературе аналогичным параметрам ФР, изготовленным из объемных кристаллов и пленок, полученных методом жидкофазной эпитаксии [208]. Такие ФР в реальных условиях применения работают в режиме ограничения фоном. Для длинноволновых ФР с 1/2 до 20 мкм типичная обнаружительная способность D* составляет 51010 (см·Гц )/Вт и достигает значения 21011 (см·Гц )/Вт для лучших ФР.

ФГУП «Альфа» разработана комплексная технология изготовления многоэлементных фоторезисторов с числом элементов до 128 с чувствительностью в области длин волн 8-12 микрон из ГЭС КРТ, выращенных методом МЛЭ на подложках GaAs(310).

Изготовлен ИК-фотоприемник на основе 128 элементнщго фоторезистора с высокими фотоэлектрическими параметрами [209]. Гистограммы распределения обнаружительной способности (рис.7-3а) и вольтваттной чувствительности (рис.7-3б) по элементам 128-элементной линейки показывают высокую однородность.

Обнаружительная способность составляет D*max=(4-6)1010см2Гц1/2Вт-1 и вольтваттная чувствительнось Su(max) =(6-9)104В/Вт, что близко к предельным характеристикам. При проведении испытаний на механические и климатические воздействия ФП не обнаружено изменение фотоэлектрических свойств. Параметры ФП не изменились при испытаниях в течение 12 месяцев.

Сделано заключение, что ГЭС КРТ МЛЭ (АГ) пригодны для использования в разработке и производстве высококачественных многоэлементных фотоприемников на основе фоторезисторов с чувствительностью в области длин волн 8-12 микрон.

ФГУП «Альфа» разработаны и изготовлены образцы 8-элементных фотоприемников типа SPRITE на спектральный диапазон 8 – 12 мкм с размерами чувствительной площадки 50064 мкм при скорости дрейфа пакета неравновесных носителей, порядка 150м/сек [210]. Получены значения основных фотоэлектрических параметров (не уступающие значениям аналогичных параметров в SPRITE детекторах на объёмном КРТ):

Удельная обнаружительная способность, D*(max) = (1,6-2,3)1011 Джонс Монохроматическая вольтовая чувствительность Su(max) = (3,6-5,3)105В/Вт.

Слабоохлаждаемые ФР (Т=200 – 230К) изготавливались с 1/2 = 4 – 6,5 мкм.

Обнаружительная способность в максимуме спектральной чувствительности для фоторезисторов с 1/2 ~ 5 мкм D*(max) = (7 – 9)1010 (см·Гц )/Вт, а с 1/2 ~ 6,5 мкм D*(max) = (3 – 5)1010 (см·Гц )/Вт.

ОАО «МЗ Сапфир» разработаны и изготовлены многоэлементные фотоприемники резистивного типа ИК-излучения диапазона 3 – 5 мкм с высокими фотоэлектрическими параметрами, которые могут быть использованы в системах обнаружения и визуализации теплового излучения. В качестве чувствительного материала использовались ГЭС КРТ МЛЭ на подложках из GaAs(310).

80 Количество элементов, шт.

Количество элементов, шт.

Т =77 К 60 Т = 77 К 10 1/2 - D*среднее=4,8*10 см Гц Вт Su среднее = 7,9*10 В/Вт Ср.квадр. откл.= 6,7% 40 Ср. квадр. откл.=2,7% 3,25 4,25 4,75 5,25 5,75 6, 4,4 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10, -10 1/2 - Обнаружительная способность, *10 см Гц Вт - Фоточувствительность, * 10 В/Вт Рис. 7-3. Гистограммы распределения фотоэлектрических характеристик 128-элементного фоторезистора: а – обнаружительная способность;

б – вольт-ваттная чувствительность.

Таблица 7.1. Фотоэлектрические параметры ФР на основе гетероструктур CdHgTe/GaAs(310).

Тип приемника Характеристика «Альфа», объемный ФР-227, «МЗ ФР-228М, «МЗ ПС-2, «МЗ VIGO КРТ [211] Сапфир» Сапфир» Сапфир»

D*(max), 4,51010 31010 (9 – 11)1010 (7 – 11)1010 (1 – 1,7) (см·Гц )/Вт Сопротивление, не менее, 500 800 800 Ом Число элементов 4 1 1 5 Топология Линейка Крест 0,10,1;

Размер ФЧЭ, мм 0,50,5 0,50,5 0,50, 0,50, Число каскадов ТЭО 3 2 2 2 Положение максимума спектральной 4,2 4,0 3,8 – 4,2 3,8 – 4,2 4,2 – 4, чувствительности, мкм Рабочая температура, К 205 - 210 230 218 - 225 218 - 225 210 - Сохраняемость более 1200 более 1200 более параметров при 600С, час В таблице 7.1 представлены основные фотоэлектрические параметры ФР, работающих с термоэлектрическим охлаждением (ТЭО) и при комнатной температуре.

Оптимизация электрофизических характеристик исходного материала, конструкции и архитектуры чувствительного элемента и технологии позволили создать приемники излучения, по основным параметрам не уступающие, а по некоторым превосходящие лучшие образцы известных фирм-производителей, таких как: VIGI System S.A. (Польша), Hamamatsu (Япония/США) [212].

7.3. Параметры фотодиодов из CdxHg1-xTe, выращенного на альтернативных подложках и фотоприемных устройств на их основе 7.3.1. Гетероструктуры CdxHg1-xTe на подложках GaAs(310) На основе гетероструктур CdxHg1-xTe/GaAs(310), полученных методом МЛЭ, изготавливались одиночные фотодиоды различной площади (110-5 – 510-2 см2), линейки и матрицы p-n- переходов [213]. Фотодиоды изготавливались по планарной технологии на пленках p-типа, n-область формировалась ионной имплантацией бора и в некоторых случаях – термодиффузией ртути из анодного окисла. Обычно проводилась пассивация диэлектрическими слоями, которые использовались как просветляющее покрытие и как изолятор под металлическую разводку.

Параметры фотодиодов при температуре жидкого азота в целом соответствовали лучшим результатам, приведенным в литературе. Так, значения R0A (R0 – дифференциальное сопротивление при нулевом смещении, А – площадь) достигают 8106, 6,4105 и 150 Ом см2 для фотодиодов с 1/2 =5,2;


6,0 и 10,5 мкм соответственно.

Изготовлены фотодиодные фоточувствительные элементы формата элементов с помощью ионного легирования бором ГЭС КРТ МЛЭ p-типа для спектрального диапазона 8 – 12 мкм [214]. Темновые токи фотодиодов с 1/2 = 10,0 – 10, мкм составляют 5 – 10 нА при обратном напряжении смещения -150 мВ и ограничены в основном диффузионным компонентом. Фототок при засветке фоном с температурой 295К составлял 10 – 20 нА. Дифференциальное сопротивление при нулевом смещении и в максимуме составили (1,0 – 1,6)107 Ом и (2,1 – 2,4)108 Ом соответственно. Значение параметра R0A = 70 – 100 Ом см2.

Методом гибридной сборки на индиевых столбах фоточувствительного фотодиодного элемента и мультиплексора изготовлены образцы ИК ФП 2884. Среднее значение вольтовой чувствительности и удельной обнаружительной способности в максимуме спектральной чувствительности составили 3,2108В/Вт и 2,71011 (см·Гц )/Вт соответственно при среднеквадратичном отклонении (СКО) 7,8% и 11,8%. Температурное разрешение составило 9мК. Полученные значения основных параметров ИК ФП соответствуют лучшим результатам, приведенным в литературе. Так, для ИК ФП, где в качестве материала использовались ГЭС КРТ, выращенные методом ЖФЭ на согласованных подложках из теллурида кадмия и цинка (КЦТ), средняя величина удельной обнаружительной способности, при температуре фона 295К, апертуре 0,28 ср и времени накопления 20 мкс, составляет 1,91011 смГц1/2Вт-1 (СКО – 11,5%). Средняя величина вольтовой чувствительности составляет 1,72108 В/Вт (СКО - 12%)[215].

Так же были изготовлены фотодиодные матрицы 320256 элементов с помощью ионного легирования бором ГЭС КРТ МЛЭ p-типа с широкозонным высокопроводящим слоем. Темновые токи высококачественных фотодиодов составляет 1,5 - 2 нА и лимитированы диффузионной компонентой. Величина произведения - R0A=40 Ом·см2.

Методом гибридной сборки на индиевых столбах фоточувствительного фотодиодного элемента и мультиплексора изготовлены образцы матричных ИК ФП форматом 320256 элементов [216]. Спектральная чувствительность по уровню 0,5 от максимального значения лежит в диапазоне 8 – 10 мкм. Вольтовая чувствительность, пороговая облученность и среднее значение NETD в максимуме чувствительности составляют 4,1108 В/Вт, 1,0210-7 Вт/см2 и 27 мК, соответственно. Более 40 % фотодиодов имеют NETD менее 19 мК.

7.3.2. Гетероструктуры CdxHg1-xTe на подложках Si(310) 7.3.2.1. Средневолновой спектральный диапазон Из структур КРТ р-типа с составом х=0.29 – 0.33 с помощью ионной имплантации бора были изготовлены матричные фоточувствительные элементы формата 320256 с шагом 30 мкм для спектрального диапазона 3 – 5 мкм и измерены их характеристики.

Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ), дифференциального сопротивления и ампер-ваттной чувствительности фотодиодов производились в криогенном азотном термостате. Измерения проводились на образце матричного ФЧЭ с индиевыми столбами. Один электрический контакт был постоянно подсоединен к базовому слою матрицы ФЧЭ, второй контакт создавался путем опускания подвижного зонда на выбранный фотодиод. Фототок измерялся при засветке фоном с температурой 293К со стороны индиевых столбов через окно термостата (апертурный угол составлял 360), изготовленное из ZnSe.

На рисунке 7-4а приведена зависимость темнового тока (Id) при смещении -100 мВ от обратной температуры для диода, изготовленного из структуры с составом х=0.328.

Видно, что в области температур 160 - 300К изменения темнового тока меняется пропорционально ni2 и определяется диффузионным механизмом протекания тока [217]. В области температур 140 - 160К Id пропорционален ni и обусловлен процессами генерации рекомбинации в области обеднения.

а б Рис. 7-4. Зависимость темнового тока (а) и фототока (б) при смещении -100 мВ от обратной температуры для фотодиодов, изготовленных из ГЭС КРТ МЛЭ с мольной долей CdTe x=0.328. Точки – экспериментальные результаты. Линии – расчетные зависимости.

Фототок (рис. 7-4б) имеет максимум в диапазоне температур 160 – 180К. При температурах до 160 К фототок увеличивается с ростом температуры, что согласуется с данными других работ. Согласно работе [217], длина диффузии неосновных носителей заряда в фотодиодах на основе КРТ с составом х=0.31 непрерывно увеличивалась в диапазоне температур от 50 до 210К за счет роста времени жизни, а фототок пропорционален длине диффузии. Объяснить наличие максимума фототока при температуре 150 – 180К можно эффектом изменения ширины запрещенной зоны при изменении температуры, что приводит к сдвигу края поглощения в коротковолновую область. При увеличении температуры от 77К до 200К длинноволновая граница фоточувствительности уменьшается от 4.3 мкм до 4 мкм. При этом фототок от фоновой засветки уменьшается в 2 раза. Увеличения длины диффузии оказывается недостаточно для компенсации уменьшения фототока, что и ведет к появлению максимума при 160 180К на кривой зависимости фототока от температуры.

Сравнивая графики темнового тока и фототока, и предполагая, что при засветке без затенения индиевым столбом (с обратной стороны) фототок увеличится в два раза и составит 0.5 нА, можно найти температуру равенства темнового тока и фототока, которая составляет Т ~170 К, то есть при температурах выше 170 К режим ограничения фоном не будет выполняться.

Для характеристики фотодиодов часто используют произведение дифференциального сопротивления при нулевом смещении (R0) на его оптическую площадь (А) - R0A. Значение R0 определяется непосредственно из измеренных ВАХ. Для оценки А воспользуемся зависимостью фототока от плотности потока фотонов и площади сбора фотогенерированных носителей заряда [198].

IF = qQ()A (7-1).

Здесь – квантовая эффективность (число электронно-дырочных пар, генерированных падающим фотоном), q – заряд электрона, А - площадь сбора фотогенерированных носителей заряда и Q() = Q(2)sin2(/2) – плотность потока фотонов в апертурном угле от АЧТ с температурой Т=293 К в диапазоне длин волн от до 1/2 мкм, где, в свою очередь, Q(2) = (2c-4)/exp((hc/kT) – 1) (7-2) При расчетах учитывалось, что засветка фоном эквивалентна использованию черного тела с коэффициентом серости равным 0.95, = 0.7, и использованное в измерительном стенде окно из ZnSe может отражать до 30% падающего потока.

Исходя из измеренных нами значений фототока с помощью формул 7-1 и 7-2, можно определить площадь сбора фотогенерированных носителей заряда А, которая для всех образцов лежала в диапазоне 100 – 200 мкм2. Так как физически данная площадь представляет собой полосу (кольцо) вокруг индиевого контакта (сам контакт считаем непрозрачным), то, прибавив к полученному значению площадь индиевого столба (индиевый контакт считаем круглым с радиусом 10 мкм), мы получим оптическую площадь p-n перехода А. Умножив А на значение дифференциального сопротивления при нулевом смещении Rо, мы получим значение RоА.

Ещё одним важным параметром как самого диода, так и материала, из которого он изготовлен, является длина диффузии носителей заряда. Считая, что геометрически p-n переход представляет собой круг, вычитая из оптического радиуса p-n перехода его металлургический радиус, можно определить длину диффузии носителей заряда. При этом нужно принимать во внимание, что геометрический размер p-n перехода превышает размер окна для легирования (круг диаметром 10 мкм) за счет диффузии ртути на 2-3 мкм [218].

Измеренные значения фототока и дифференциального сопротивления при нулевом смещении для фотодиодов, изготовленных из КРТ различного состава, а также рассчитанные на основании этих параметров значения длины диффузии и Rо А представлены в Таблице 7-2.

Таблица 7-2. Фотоэлектрические параметры диодов, изготовленных из слоев КРТ различного состава, выращенных на подложках Si(310) RоА, Ом·см Образец х 1/2, мкм Фототок, А Rо, Ом Lдиффуз., мкм 2.0·10-11 4·1011 1.7· КРТ090316 0.327 4.3 4. 3.5·10-11 3·1011 1.5· КРТ081023 0.328 4.3 5. 2·10-10 2·1011 1.0· КРТ090305 0.289 5.2 5. 1.5·10-10 2·1011 9.7· КРТ090302 0.293 5.1 5. Полученные оценки величин длин диффузии примерно в 2 раза меньше по сравнению с результатами работы [217]. Причина может быть в том, что в этой работе КРТ выращивался на согласованных подложках CdZnTe и плотность структурных дефектов была значительно ниже, чем в обсуждаемых в нашей работе слоях. Уменьшение плотности дефектов может приводить к увеличению времени жизни и подвижности фотогенерированных носителей заряда и, как следствие, к увеличению диффузионной длины.

Полученные нами значения RоА не уступают результатам, приводимым в литературе для фотодиодов из КРТ, выращенного на подложке из кремния [219].

Свойства матричных фотоприемников на основе гетероструктур HgCdTe/Si(310) На основе фотодиодных ФЧЭ и кремниевого мультиплекса методом гибридной сборки через индиевые столбы были изготовлены матричные инфракрасные (ИК) фотоприемники (ФП) формата 320256 для спектрального диапазона 3 – 5 мкм и измерены их характеристики. При измерениях температура образца, фона и абсолютно черного тела (АЧТ) составляли 78, 293 и 501К соответственно. Измерения проводились в аппертурном угле 560, частота опроса выходного сигнала составляла 2.0 МГц и время накопления 640 мкс.

Измерения показали, что количество дефектных элементов в них не превышает 2.5%, а для лучших ФП составляет 1%. Дефектными элементами считались фотодиоды, у которых вольтовая чувствительность на 35% отличалась от среднего значения и пороговая облученность более чем в три раза превышала среднее значение. Дефектные элементы равномерно распределены по площади ФП и не образуют кластеров в центральной части (см. рис.7-5). Средние значения и разброс вольтовой чувствительности (рис. 7-6а) и разности температур, эквивалентной шуму NETD (рис. 7-6б) близки к предельным значениям для данных условий измерения.

Рис. 7-5. Топограмма дефектных элементов ФП формата 320256 с 1/2 (77К) = 5.2 мкм. В центральной части формата 8064 элемента количество дефектных элементов составляет 0,4% (19 штук).

а б Рис. 7-6. Гистограмма разности температур, эквивалентной шуму (NEDT) (а) и гистограмма вольтовой чувствительности (б) ИК ФП размерностью 320256 элементов, изготовленного на основе ГЭС КРТ МЛЭ(К) с 1/2 (77К) = 5.2 мкм.

Тепловое изображение, полученное с помощью макета тепловизионного канала на основе ФПУ формата 320256, визуально наблюдается в реальном масштабе времени (рис.7-7), на изображении наблюдается характерное распределение температуры на лице человека.

Рис. 7-7. Примеры тепловых изображений полученных с помощью фотоприемника формата 320256 на основе ГЭС КРТ МЛЭ (Si).

Разработаны и изготовлены полноформатные матричные фотоприемные модули на основе ГЭС МЛЭ КРТ, выращенных на «альтернативной» подложке из кремния. Такие фотоприемники обладают повышенной стойкостью к термоциклированию, поскольку коэффициенты термического расширения кремниевой схемы считывания и фотоприемной матрицы на кремниевой подложке одинаковы. Разработанные ФПМ позволяют получать изображение телевизионного стандарта без использования систем механического сканирования.

В таблице 7.3 приведены основные параметры матричного фотоприемника форматом 640512 элементов на основе ГЭС МЛЭ КРТ-Si для спектрального окна прозрачности атмосферы 3-5 мкм.

Таблица 7.3. Параметры матричного фотоприемника форматом 640512 элементов на основе гетероструктуры CdHgTe/Si(310) Наименование характеристики Значение параметра 1 Формат, количество элементов 2 Шаг фоточувствительных элементов (вдоль и поперек 25 матрицы), мкм 3 Длина волны максимума спектральной чувствительности, мкм 4, 4 Длинноволновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,1, 0,1, мкм 4, 4, 5 Среднее значение вольтовой чувствительности, В/Вт 6 Максимальное отклонение вольтовой чувствительности ± от среднего значения (Sмакс.), % 7 Среднее значение пороговой облученности 2,0210- Pm (Tф=300К, 2=300), Вт/см2, не более 8 Эквивалентная шуму разность температур, К 9 Динамический диапазон (при отношении сигнал/шум 1), дБ 10 Частота, кадров/c, не менее 11 Количество дефектных элементов, % 3, Рис. 7-8. Гистограмма разности температур, эквивалентной шуму фотоприемника элементов и пример теплового изображения, полученного с его помощью в составе макета тепловизионного канала.

7.3.2.2. Длинноволновой спектральный диапазон Из структур КРТ р-типа с помощью ионной имплантации бора были изготовлены матричные фоточувствительные элементы (ФЧЭ) для спектрального диапазона 8 – 12 мкм формата 2884 стандартной топологии [220] с размерами пикселя 2825 мкм и шагом сканирования 43 мкм и измерены их вольт-амперные характеристики. Из измеренных ВАХ были рассчитаны произведение R0A дифференциального сопротивления при нулевом смещении R0 на его оптическую площадь A, значение которого используют для характеристики фотодиодов. Дифференциальное сопротивление R0 при нулевом смещении рассчитывалась непосредственно из измеренных ВАХ. Оптическая площадь А оценивалась, исходя из величины фототока по формулам 7-1 и 7-2. Полученные значения R0A представлены на рисунке 7-9. Для сравнения на рисунке 7-9 представлены значения R0A для фотодиодов, изготовленных в ИФП СО РАН на основе гетероструктур CdxHg1 xTe/GaAs(310) (данные взяты из работ [217, 221, 222]) и для фотодиодов, изготовленных компанией SOFRADIR(Франция) на основе КРТ, выращенного на согласованных подложках из CdZnTe [223]. Также на рисунке представлены расчетная зависимость R0A от границы фоточувствительности для случая ограничения тепловой генерацией (кривая 1) и предельные значения R0A, необходимые для реализации режима ограничения фоном (кривая 2, удовлетворяющая уравнению 4kT/R0A = 2q2Q) [198]. Как видно из рисунка, фотодиоды гетероструктур CdxHg1-xTe/GaAs(310) имеют значение R0A близкие к предельным и сравнимые с R0A для фотодиодов из КРТ на согласованных подложках.

Фотодиоды на основе HgCdTe/Si(310), работающие при температуре 77 К в диапазоне длин волн 8 – 12 мкм, имеют произведение R0A ниже предельных значений, но значительно превосходящие значения, необходимые для реализации режима ограничения фоновыми шумами. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о высоком качестве материала, необходимом для проведения разработки многоэлементных ИК ФП.

Из матриц фотодиодов методом гибридной сборки этих матриц с мультиплексором были изготовлены матричные фотоприемники формата 2884 для спектрального диапазона 8 – 12 мкм (c (77К) = 9.5 мкм).

Были измерены параметры ИК ФП. При измерениях температура образца, фона и абсолютно черного тела (АЧТ) составляли 78, 293 и 501К соответственно. Измерения проводились в аппертурном угле 300, частота опроса выходного сигнала составляла 4. MГц и время накопления 18 мкс. При измерениях использовался отрезающий фильтр с длинноволновой границей по уровню 0.5 – 8.0 мкм.

1,0E+ 1,0E+ 1,0E+ R0A, Ом*см 1,0E+ 1,0E+ 1,0E+ 1,0E- 8 9 10 11 12 l, мкм Рис.7-9. Зависимость произведения R0A от граничной длины волны для фотодиодов на основе CdHgTe/Si(310) () и на основе CdHgTe/GaAs(310) () при 77 К.

1- зависимость R0A в случае ограничения тепловой генерацией;

2 - значения R0A, необходимые для реализации режима ограничения фоном;

3 – средние значения R0A для фотодиодов, изготовленных компанией SOFRADIR(Франция).

На рисунке 7-10 представлены параметры ИК ФП формата 2884 элементов, изготовленного на основе ГЭС КРТ МЛЭ(Si) с c (77К) = 9.5 мкм. Из представленных рисунков видно, что все 288 каналов обладают фоточувствительностью и по своим характеристикам не сильно уступают параметрам аналогичных ИК ФП, изготовленных из КРТ, выращенного на согласованных подложках из CdZnTe. Так, средняя величина удельной обнаружительной способности (D*) ИК ФП формата 2884 на основе 1.83·1011 смГц1/2/Вт гетероструктуры HgCdTe/Si(310) составляет при среднеквадратическом отклонении (СКО) 28%, а средняя величина вольтовой чувствительности составляет 1.64·108 В/Вт при СКО в 12.4%. В то время, как те же параметры для ИК ФП на основе КРТ на подложках из CdZnTe не более чем на 5% превосходят полученные значения [223].

При использовании в системах технического зрения к линейчатым ИК ФП предъявляются дополнительные требования по однородности параметров. Так, для длинноволновых ИК ФП дефектными принято считать каналы с удельной обнаружительной способностью менее 5·1011 смГц1/2/Вт. По этому критерию в представляемом ИК ФП формата 2884 элементов, изготовленного на основе ГЭС КРТ МЛЭ(Si) дефектные каналы отсутствуют, так как минимальное значение удельной обнаружительной способности одного канала для данного ФП составляет 6· смГц1/2/Вт. Другим критерием дефектности каналов является вольтовая чувствительность, которая должна лежать в интервале 30% от среднего значения. По такому критерию в представляемом ИК ФП, дефектными считаются 12 каналов. Однако если границы допустимых значений вольтовой чувствительности расширить от +30% до -60% то в этом случае количество дефектных каналов будет равно нулю.

Таким образом, тестирование ИК ФП формата 2884 для длинноволнового диапазона показало, что нелегированные образцы КРТ состава х=0.23 дырочного типа проводимости, выращенные на подложках из Si(310), обеспечивают высокие фотоэлектрические параметры ИК ФП, ограниченные фоновым излучением.

a б Рис. 7-10. Топограмма удельной обнаружительной способности (a) и вольтовой чувствительности (б) каналов ФП формата 2884 элементов, изготовленного на основе ГЭС КРТ МЛЭ(К) с 1/2 (77К) = 9.5 мкм.

7.4. Термомеханическая прочность фотоприемников Одной из основных проблем в создании охлаждаемых многоэлементных фотоприемных устройств является низкая термомеханическая прочность, то есть тенденция к увеличению числа дефектных элементов при большом количестве циклов охлаждения/нагрева.

В случае гибридных сборок, выполняемых посредством индиевых микростолбов, это происходит за счет разрушения индиевых столбов краевых элементов. Они подвергаются значительным механическим деформациям, возникающим в результате охлаждения фотоприемника из-за разных коэффициентов термического расширения (КТР) матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) (например, в случае подложки из GaAs) и кремниевой схемы считывания (см. рисунок 7-11). И, соответственно, чем больше формат ФПУ, тем больше геометрический размер прибора и тем сильнее проявляются эффекты, связанные с рассогласованием КТР.

а б Рис. 7-11. Схематичное изображение ИК ФП до (а) и после (б) большого количества циклов термоциклирования;

1 – МФЧЭ;

2 – индиевые микростолбы;

3 – схема считывания.

В наибольшей степени термомеханическая прочность гибридного ИК ФП определяется КТР-ми материала, из которого изготовлен мультиплексор (это всегда кремний) и материала, из которого изготовлена подложка для выращивания фоточувствительного слоя. В таблице 7-4 приведены КТР-ы материалов, используемых для этих целей [35].

Таблица 7-4. Коэффициенты термического расширения материалов используемых в качестве подложек для выращивания КРТ.

Линейный коэффициент термического расширения (10-6 К-1) Кристалл Т, К 80 100 200 Si -0.50 -0.34 1.43 2. CdTe 0.40 1.38 4.09 4. Cd0.96Zn0. 0.50 1.49 4.23 5. 4Te GaAs 1.15 2.05 4.93 5. Из представленных данных видно, что любая другая подложка имеет КТР, существенно отличающийся от КТР кремниевой подложки. Поэтому для повышения термомеханической прочности приходится вводить дополнительные операции.

Пути увеличения термомеханической прочности гибридных сборок могут быть различны. Обычно предлагаются следующие решения:

1) утонение подложки [224];

2) плавление и вытягивание индиевых столбов [225];

3) заполнение пространства между МФЧЭ и схемой считывания эпоксидным компаундом, препятствующим деформации индиевых микростолбов;

4) Использование различных дополнительных приспособлений, ограничивающих расширение/сжатие МФЧЭ и/или схемы считывания.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.