Фотоэлектрические и рекомбинационные свойства эпитаксиальных структур на основе HgCdTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ Ой 3 1 АВГ 1998

На правах рукописи

ДЕНИСОВ ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЪНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ЩСаТе, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО - ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность 01.04.10 Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1998

Работа выполнена в Томском государственном университете и в Сибирском физико-техническом институте

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, профессор Войцеховский A.B. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Коханенко А.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, Гермогенов В.П. кандидат физико-математических наук, Славников B.C.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ : ГУЛ НПО «ОРИОН»

Защита состоится « 17 » сентября 1998 г. в 14~ час. на заседании диссертационного совета К 063.53.05 при Томском государственном университете (634050, пр. Ленина, 36)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «___»_1998 г.

Ученый секретарь П

диссертационного совета Анохина И.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время получают распространение альтернативные по отношению к HgCdTe варианты ИК фотоприемников на основе структур с квантово-размерными эффектами на GaAs и кремниевых диодов с барьером Шоттки в виде силицида металлов. В тоже время твердый раствор Hg] xCdxTe

(х=0.2-0.3) остается основным материалом для создания приемников излучения, включая многоэлементные матрицы, в диапазоне длин волн 3-5 и 8-14 мкм для различных систем тепловидения.

Использование методов получения объемного материала полупроводникового соединения HgCdTe не всегда позволяет получать материал с параметрами, требуемыми для создания высокочувствительных ИК-. фотоприемников. Кроме того, фотоприемники, изготовленные с использованием объемного материала, имеют высокую стоимость из-за потери значительной части выращенного материала в результате различных технологических операций. Поэтому в настоящее время важное значение приобретают эпитаксиальные методы получения HgCdTe, такие как жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), МОС - гидритная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).

Уникальные возможности для создания эпитаксиальных структур HgCdTe предоставляет метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Материал HgCdTe, выращенный данным методом, характеризуется высокой степенью однородности свойств в пределах достаточно больших размеров подложки, а также, что очень важно, заранее заданными профилями легирования и состава. Это позволяет создавать на его основе многоэлементные полупроводниковые детекторы излучения, обеспечивающие обработку сигнала непосредственно в фокальной области. Кроме того, технология МЛЭ является базовой для формирования структур типа сверхрешеток и квантовых ям на основе систем HgTe / CdTe, поэтому разработке и исследованию свойств Hgj xCdxTe (KPT), выращенных методом МЛЭ, уделяется большое внимание.

Наиболее важным параметром фоточувствительного материала является время жизни носителей заряда в области рабочих температур фотоприемного устройства, которое определяет, в конечном счете, его фотоэлектрические и флуктуационные характеристики. Необходимо отметить, что в настоящее время имеется незначительное число работ, в которых приводятся результаты исследований механизмов рекомбинации носителей заряда в пленках HgCdTe, выращенных методом МЛЭ. Поэтому представляет интерес проведение исследований времени жизни фотоносителей в эпитаксиальном материале и анализ возможных механизмов рекомбинации в материале п- и р-типа проводимости.

Использование технологии МЛЭ позволяет получать эпитаксиальные слои толщиной порядка диффузионной длины, что является весьма важным

условием реализации высокочувствительных фотоприемников. При этом важную роль играют свойства границ раздела эпитаксиальная пленка -подложка и эпитаксиальная пленка - свободная поверхность. Для изучения 1 свойств границ раздела представляет интерес совместное исследование спектральных характеристик фотопроводимости и времени жизни носителей заряда.

Перспективным направлением создания как новых видов фотоприемных устройств, так и совершенствование существующих фотоприемников, являются возможности метода МЛЭ по созданию эпитаксиальных структур с заранее заданными параметрами, такими как профиль ширины запрещенной зоны, концентрация примесей, толщина и т.д. Однако, применительно к узкозонным полупроводниковым соединениям, вопросы, связанные с влиянием на основные свойства фотоприемных устройств параметров выращенных варизонных эпитаксиальных слоев изучены не достаточно полно. В связи с этим представляет научный интерес проведение теоретического анализа основных свойств фотоприемников, включая анализ сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиальных структур ЩСсГГе, выращенных методом МЛЭ.

Целью настоящей работы является изучение рекомбинационных и фотоэлектрических свойств эпитаксиалышх структур Ь^СсГГе (х=0.2-0.3), выращенных методом МЛЭ, для создания на их основе высокочувствительных фотоприемников.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- теоретический анализ электрофизических и фотоэлектрических параметров варизонных эпитаксиальных структур на основе Н£Сс1Те;

- исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда (НТО) в эпитаксиальных структурах на основе Б^СсГГе п- и р-типа проводимости при возбуждении источниками излучения с различными длинами волн (Х,=0.90 мкм, А.=10.6 мкм), соответствующих поглощению в приповерхностной области и в объеме эпитаксиальной пленки соответственно;

- исследование спектральных характеристик фоточувствительности эпитаксиальных структур на основе Ь^СсГГе,

- исследование влияния границ раздела пленка - подложка и пленка -свободная поверхность на рекомбинационные и спектральные характеристики эпитаксиальных структур;

- исследование сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиалышх структур ЩС(1Те, выращенных методом МЛЭ, и изготовление макетов фоторезисторных приемников.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В эпитаксиальных пленках Н§Сс1Те, выращенных методом МЛЭ, п-типа проводимости с х=0.20-0.23 в области температур, соответствующих примесной проводимости время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов Оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах. В эпитаксиальном материале р-типа проводимости с х=0.21-0.22 в области температур, соответствующих примесной проводимости в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо Оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах с энергией активации рекомбинационного уровня Е,=Еу+0.15-0.22 мэВ, отсчитываемой от потолка валентной зоны.

2. Особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок ЩСсПе, выращенных МЛЭ, проявляющихся в плавной длинноволновой границе фоточувствительности, в сдвиге граничной длины волны при послойном стравливании, в отсутствии заметного спада кривой спектральной характеристики в области коротких длин волн определяются наличием буферных широкозонных слоев на границах раздела эпитаксиальная пленка-подложка и эпитаксиальная пленка - свободная поверхность и варизонностью узкозонной части эпитаксиальных структур.

3. Наличие двух составляющих (быстрой и медленной) в кинетике сигнала фотопроводимости в эпитаксиальных пленках связывается с различием в механизмах рекомбинации. Быстрая составляющая определяется объемными механизмами рекомбинации НЮ, а причиной появления медленной составляющей, проявляющейся при низких температурах, при поглощении излучения вблизи границы раздела эпитаксиальная пленка-подложка является существование в материале п-типа проводимости рекомбинационных центров с резкой асимметрией величин поперечных сечений захвата для электронов и дырок, а в материале р-типа - центров захвата.

Достоверность полученных результатов определяются тем, что все экспериментальные данные получены с использованием апробированных методик измерения на большом числе образцов. Полученные в работе данные о фотоэлектрических и рекомбинационных свойствах эпитаксиальных структур на основе Н§С<1Те согласуются с известными результатами измерений. Результаты работы не противоречат современным представлениям о физических процессах в эпитаксиальных структурах на основе узкозонных полупроводников.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Определены механизмы рекомбинации в эпитаксиальных структурах Н§Сс1Те, выращенных методом МЛЭ п- и р-типа проводимости в интервале температур 77-300 К. Показано, что эпитаксиальных пленках п-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной

проводимости, время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов Оже-рекомбннации и рекомбинации на локальных, центрах. В знитаксиалыгом материале р-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной проводимости в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо Оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных ценграх.

Выявлены особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок ЩСсГГе с различными профшхями ширины запрещенной зоны (варизонный характер объемной части эпитаксиальной структуры, наличие варизонных буферных слоев на границах раздела)

Устаиовлеко, что удаление варизошюго буферного слоя на границе раздела эпитаксиальная пленка - свободная поверхность приводит к существенному снижению времени жизни носителей заряда из-за увеличения роли поверхностной рекомбинации.

Показано, что создание МДП-структуры с полупроводниковой подложкой, выполненной в виде п-п+ изотипного гетероперехода способствует улучшению основных, характеристик такого прибора: емкости потенциальной ямы и времени накопления в 2-4 раза.

Практическая и научная ценность работы.

1. Разработана программа расчета основных параметров фоторезисторов, на основе эпитаксиальных структур Ь^СсГГс, которая может применяться при выращивании эпитаксиальных структур для определения их оптимальных характеристик. Выработаны рекомендации по созданию фотоприемных устройств на основе МДП-структуры с изотопным гетеропереходом в качестве полупроводниковой подложки;

2. Экспериментальные результаты, полученные в работе, могут использоваться для совершенствования технологических процессов выращивания эпитаксиальных пленок Н^СсГГе методом МЛЭ;

3. Сведения о механизмах рекомбинации носителей заряда, особенностях спектральных характеристик необходимо учитывать при интерпретации результатов фотоэлектрических измерений;

4. Изготовлены макеты фоточувствительных фоторезисторных приемников на диапазон 2-10 мкм.

Сведения о внедрении результатов диссертации. Методики исследования фотоэлектрических, рекомбинационных и спектральных свойств эпитаксиальных структур на основе НдСсГГе, выращенного методом МЛЭ использованы в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и фотоники ТГУ при постановке лабораторных работ, о чем имеется соответствующая справка (Приложение!)

Предложения по использованию результатов работы. Материалы первой главы, где дается обзор работ, посвященных исследованию

фотоэлектрических и рекомбинационных свойств в эпитаксиальных структур HgCdTe, целесообразно использовать в учебном процессе при чтении курсов, посвященных проблемам современной оптоэлектроники. Результаты расчета, описанные во второй главе, целесообразно использовать при отработке методик выращивания эпитаксиальных пленок для получении эпитаксиальных структур с необходимыми свойствами. Материалы третьей и четвертой главы целесообразно применять при проведении фотоэлектрических измерений для правильной интерпретации экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии Сибирского физико-технического института (Томск-1996г.), международной конференции «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Uzhgorod-1996г.), международной конференции «BEAMS-96» (Prague-1996), международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford-1997), 2,4,5 симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск-1995,1997,1998 г.), 3-ей международной научно-практической конференции «Сибресурс» (Красноярск-1997).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи и 10 тезисов докладов. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков. Список литературы включает . наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, определяется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, излагается структура диссертации и краткое содержание работы по главам, приводятся научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Анализ литературы показывает, что разработка технологии изготовления объемных монокристаллов HgCdTe высокого совершенства для фотоприемников для области спектра 8-14 мкм потребовала больших затрат и времени. Физико-химические свойства твердых растворов HgCdTe определили низкий процент выхода объемных монокристаллов с требуемыми свойствами и, следовательно, достаточно высокую стоимость. Для снижения себестоимости материала активно разрабатываются эпитаксиальные технологи! получения HgCdTe : метод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), газовая эпитаксия с применением металлоорганических соединений, позволяющие получать эшгтаксиальные пленки с заданными параметрами непосредственно на подложках и тем самым исключить технологические операции резки, шлифовки, полировки при выполнении которых теряется

большая часть выращенного материала. Кроме того, нестабильность параметров монокристаллов ЩСёТе, их высокая чувствительность к тепловым, механическим и другим внешним воздействиям, создает затруднения при воспроизведении характеристик фотоприемных устройств.

Одним из наиболее перспективных методов получения эпитаксиальных структур ЩСёТе является метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Однако, до настоящего времени, остаются недостаточно изученными механизмы рекомбинации носителей заряда в эпитаксиальных структурах ЩСсГГе, выращенных методом МЛЭ.

Анализ литературы показывает, что для тонких (порядка обратной величины коэффициента поглощения) образцов Ь^СсГГе важную роль играет рекомбинация носителей заряда на поверхности. Даже в лучших образцах величина скорости поверхностной рекомбинации составляет 5-102-5-103 см/с. Использование метода МЛЭ позволяет снизить влияние поверхности. Данное преимущество метода МЛЭ реализуется путем выращивания на границах раздела (эпитаксиальная пленка - подложка и эпитаксиальная пленка -свободная поверхность) варизонных буферных слоев, создающих электрические поля, «отталкивающие» неравновесные носители заряда (ННЗ) от границ раздела. Однако отсутствуют данные об оптимальных параметрах буферных варизонных слоев. Кроме того, в литературе имеется недостаточно данных о параметрах фотоприемных устройств, выращенных методом МЛЭ.

Проведенный обзор процессов переноса носителей заряда в варизонных структурах показал, что данная проблематика в основном исследована в соединениях А3В5, а для узкозонных твердых растворов А2В6 этот вопрос изучен слабо.

В выводах к главе дана постановка задачи и цели исследования.

Во второй главе проведен расчет параметров фотоприемников, созданных на основе варизонных эпитаксиальных пленок Ь^СсГГе. Основное внимание уделялось рассмотрению вопросов, связанных с влиянием профиля ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника на распределение концентрации ННЗ при фотовозбуждении, на эффективное время жизни ННЗ, на особенности спектральных характеристик фотопроводимости, на значения пороговых характеристик фотоприемников. Для этой цели использовались модели варизонного полупроводника, в котором распределение концентрации неравновесных носителей заряда в значительной степени определяется искривлением соответствующей зоны (для материала п-типа проводимости это валентная зона; для материала р-типа - зона проводимости) [1]. Предполагалось, что зависимость ширины запрещенной зоны от координаты

и

можно представить полиномом £г(х) = -х' • При этом расчет основных

1=0

характеристик варгоонной эпитаксиальной структуры можно проводить для практически любого профиля ширины запрещенной зоны. В ряде случаев

считалось, что на границах раздела эпитаксиальной пленки имеются варизониые буферные слои с линейной зависимостью ширины запрещенной зоны Е& от координаты х: Е8(х)=Е8(0)-е*((Е8(0)-Е8((1о))/с1о)*х, где е-заряд электрона, Е8(0)-ширина запрещенной зоны на поверхности, Е8(Ф))-ширина запрещенной зоны при х=с10, ^-толщина варизонной области. Градиент ширины запрещенной зоны а для линейной зависимости Е8(х) записывается в

виде___1 ЛЕг _ (о) - ^ (^о)), где к-постоянная Больцмана, Т-

2 к-Т-е сЫ ~ 2-к-Т • с1 а абсолютная температура. Предполагалось, что толщина буферных слоев изменяется в пределах 0.5-2.0 мкм при общей толщине структуры 10-30 мкм.

Распределение концентрации ННЗ в пределах структуры находилось путем численного решения уравнения непрерывности для полупроводника ЩСсГГе с учетом варизонного характера ширины запрещенной зоны, различных величин скорости поверхностной рекомбинации на границах раздела, зависимости времени жизни носителей заряда, ограниченного объемными механизмами рекомбинации, от координаты. При этом картина распределения ННЗ такова, что ННЗ накапливаются в объемной части структуры, а области, прилегающие к границам раздела обеднены ННЗ. Величина концентрации ННЗ в областях обеднения определяется величиной градиента ширины запрещенной зоны, характеризующего варизонные области, и может быть на несколько порядков ниже концентрации ННЗ в объеме пленки. Обеднение приповерхностных областей ННЗ способствует значительному снижению влияния поверхностной рекомбинации, и рекомбинации на границе раздела пленка-подложка на эффективное время жизни носителей заряда. Так, для величин градиента ширины запрещенной зоны 0<д<5-103 см'1 (Т=80К) эффективное время жизни носителей заряда при скорости поверхностной рекомбинации 80=Ю5 см/с не зависит от величины градиента и уменьшается на порядок по сравнению с временем жизни Ту=1 мкс, ограниченным объемными механизмами рекомбинации. С увеличением градиента ширины запрещенной зоны происходит экспоненциальный рост зависимости т,фф(а). В области а>5-104 см'1 эффективное время жизни на зависит от скорости поверхностной рекомбинации Бо и определяется объемными механизмами рекомбинации. Здесь же приводятся данные расчета по влиянию варизонного характера объема эпитаксиальной пленки на эффективное время жизни ННЗ. Показано, что если имеется градиент ширины запрещенной зоны, под действием которого ННЗ двигаются по направлению к границе раздела и там рекомбинируют, их эффективное время жизни может уменьшиться в 2-10 раз в зависимости от величины градиента.

Проведена оценка влияния параметров материала (времени жизни и подвижности носителей заряда) на эффективное время жизни ННЗ в варизонных полупроводниковых структурах на основе эпитаксиальных пленок НдСсГГе. Для случая, когда время жизни носителей заряда в варизонном слое

на порядок превосходит время жизни в узкозонной части структуры, эффективное время жизни увеличивается незначительно, поскольку время дрейфа НТО в варизонном слое под влиянием встроенного поля много меньше времени жизни ННЗ в варизонной области.

Расчет зависимостей времени жизни ННЗ от концентрации электронов По показал, что высокие величины поверхностной рекомбинации значительно снижают эффективное время жизни ННЗ во всем диапазоне по для структур с низкими величинами градиентов ширины запрещенной зоны буферных варизонных слоев. Увеличение величины градиента ширины запрещенной зоны приводит к тому, что зависимость тЭфф (по) приближается к аналогичной зависимости для однородного материала без рекомбинации на границах раздела с максимумом в области концентраций п^п,, где щ-собственная концентрация.

В работе проведен расчет спектральных характеристик (СХ) фотопроводимости варизонных эпитаксиальных структур на основе ЩС<ЗТе. Показано, что они могут характеризоваться рядом особенностей, по сравнению со спектральными характеристиками однородного объемного материала: варизонные структуры характеризуются более плавной длинноволновой границей фоточувствигельности по сравнению с однородными структурами; выращивание варизонных буферных слоев на границах раздела приводит к уменьшению влияния поверхностной рекомбинации на спектральную характеристику в области коротких длин волн возбуждающего излучения; наличие неоднородностей по составу и времени жизни выращенной эпитаксиальной структуры может приводить к появлению особенностей на длинноволновых границах спектральных характеристик. Показано, что выращивание буферного слоя на поверхности приводит к увеличению сигнала фотопроводимости на длине волны Х-2 мкм в 2-4 раза по сравнению с обычной однородной структурой при изменении скорости поверхностной рекомбинации в интервале 103<80<Ю5 см/с.

Проведены расчеты основных характеристик фоторезисторов (вольт-ваттная чувствительность, напряжение шума, обнаружительная способность), созданных на основе варизонных эпитаксиальных структур ЩСёТе, выращенных МЛЭ. Помимо влияния поверхности, в расчете учитывался эффект вытягивания носителей заряда на основные характеристики фоторезисторов. В результате расчета определена область оптимальных значений градиента ширины запрещенной зоны, толщины фоторезистора, концентрации основных носителей заряда и внешнего смещения на фоторезисторе для получения высокочувствительных фотоприемников.

МДП-структуры остаются одними из наиболее перспективных элементов матричных ПЗС - приемников изображения. Анализ пороговых характеристик различных типов МДП-фотоприемников показывает, что фоточувствительность и уровень шумов в таких структурах в динамическом

режиме определяются процессом туннелирования носителей заряда при высоких значениях изгиба зон на поверхности узкозонного полупроводника. Для улучшения параметров МДП-приборов было предложено использовать изотипные п-п+ гетероструктуры на основе эпитаксиального НдСсГГе, состоящие из верхнего (широкозонного) и нижнего (узкозонного) слоев, выращенных методом МЛЭ [2].

В работе проведен расчет параметров (емкость потенциальной ямы и время накопления носителей заряда тн), характеризующих МДП-структуру в неравновесном режиме. Ввиду размещения большой части области обеднения в широкозонном слое, темновой ток, включая туннельную составляющую, значительно снижается. Оптическое поглощение осуществляется в основном в узкозонном слое, и генерированные фотоносители диффундируют к области обеднения. Так как гетероструктура состоит из слоев п - типа проводимости, то в режиме импульсного обеднения потенциальные барьеры между узкозонным слоем и инверсионной областью в широкозонном слое будут снижены и носители заряда будут накапливаться в широкозонном слое. Показано, что при использовании в качестве полупроводниковой подложки изотипной п-п+ гетероструктуры величина Р\у=(3-8)-10"8 Кл/см2 для толщин верхнего слоя (0.5-4.0) мкм и концентрации электронов по=1015 см"3, а для МДП-структуры с однослойной подложкой Рл\=2-10"8 Кл/см2. Оценка составляющих полного темнового тока, ограничивающего время накопления (т{1) МДП-структуры показывает, что наиболее существенный вклад дают диффузионная и туннельная составляющие. Зависимость времени накопления от ширины запрещенной зоны для однослойной МДП-структуры на узкозонном полупроводнике показывает, что с уменьшением ширины запрещенной зоны Eg величина тн падает, так как возрастает вклад туннельной составляющей полного тока. Значение времени накопления для МДП-структуры на тирокозонном полупроводнике (х = 0.30) составляет 5 с, что значительно превосходит значение для узкозонного полупроводника (10"^ с). Для МДП-структуры на основе гетероструктуры время накопления должно иметь промежуточное значение, т.к. возрастает вклад диффузионной составляющей тока от узкозонного слоя, протекающего через гетерограницу в пшрокозонный слой.

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты исследования механизмов рекомбинации носителей заряда в эшггаксиальных структурах на основе узкозонного Ш Сё Те (х=0.20-0.30), выращенных

1-Х X

методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проводились измерения температурных зависимостей времени жизни ННЗ и фотоотклика исследуемых образцов при возбуждении излучением с 1=0.9 мкм и А=10.6 мкм, соответствующих поглощению в приповерхностной области структуры и в объеме эпигаксиальной пленки. Для выяснения характера рекомбинации

снимались зависимости времени жизни носителей заряда от уровня постоянной оптической мощности на >.=10.6 мкм при Т=80 К. Исследования проводились на образцах, выращенных методом МЛЭ в 1993-1994 годах (первая группа образцов) и в 1996 году (вторая группа). Эпитаксиальные структуры Не^СсГГе

выращивались методом МЛЭ в ИФП СО РАН (г.Новосибирск). В эгаггаксиальных пленках п - типа проводимости из первой группы значения времени жизни носителей заряда (рис.1, кривые 1,2) лежат в диапазоне 100-400 не. Концентрация носителей заряда для этих образцов находилась в диапазоне (1-3) 1015 см"3, состав х=(0.21-0.23). Как показывает анализ, для таких параметров материала вклад межзонных механизмов рекомбинации Оже и излучательного будет незначительным. Наиболее вероятным является механизмов рекомбинации через локальные центры. Для ряда образцов из этой партии обнаружена медленная составляющая в кинетике сигнала фотопроводимости, что говорит о наличии двух процессов рекомбинации носителей заряда с существенно разными характерными постоянными времени (рис.1 кривая 3). В материале п-типа проводимости наличие двух составляющих времени жизни носителей заряда может быть объяснено наличием рекомбинационных центров с резкой асимметрией величин поперечных сечений захвата для электронов и дырок.

В эпитакеиальном пленках п-типа проводимости из второй группы (х=0.21-0.23) обнаружены высокие значения времени жизни неравновесных носителей заряда т > 10"6 с при Т-80 К (рис.1, кривые 4,5). Концентрация основных носителей заряда в данных образцах составляла (0.5-1.0)-1015 см"3. Сравнение теоретических и экспериментальных температурных зависимостей времени жизни ННЗ показали, что для этих образцов время жизни неравновесных носителей заряда в области примесной проводимости определяется Оже-рекомбинацией с частичным влиянием других каналов рекомбинации.

4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

103/Т, К"1

Рис. 1 Температурные зависимости времени жизни носителей заряда для образцов п-типа проводимости из первой группы (1-3) и второй группы (4,5) при возбуждении излучением с 1=10.6 мкм. Зависимость 3 соответствует времени жизни для медленной составляющей сигнала фотопроводимости.

т, с

п

ю

ю

-7

Чг Ч*

+ ч

10

10

, мВт

Рис. 2 Зависимости времени жизни носителей заряда для образцов п-типа проводимости из второй группы (1-4) от уровня постоянной оптической мощности при возбуждении излучением с А,=10.6 мкм при Т=80К.

"С , с

ю-6-

ю

~с, мкс

-10.0

0.0

8.0

Ю3/Т, К"

г 2.0

-0.0

Рис.3 Температурные зависимости времени жизни носителей заряда для образцов р-типа проводимости из первой группы (1-4) и второй группы (5,6) при возбуждении излучением с Х=10.6 мкм. Зависимость 4 соответствует времени жизни для медленной составляющей сигнала фотопроводимости.

Для выяснения характера рекомбинации снимались

зависимости времени жизни носителей заряда от уровня постоянной оптической мощности на ^.=10.6 мкм при Т=80 К для материала п-типа проводимости из второй партии (рис.2). Анализируя полученные результаты можно отметить более слабое уменьшение времени жизни носителей заряда с ростом постоянной оптической мощности в исследуемых эпитаксиальных структурах

(т ~ Р0("1/5 ' ~Ш) ) по сравнению с теоретически предсказанным уменьшением времени жизни при Оже-рекомбинации (т~Р0"2Л) и рекомбинации Шокли - Рида (т~Р0"1/2) [3]. Некоторое расхождение экспериментальных и теоретических зависимостей

времени жизни носителей заряда от мощности оптического излучения в эпитаксиальных структурах п-типа проводимости объясняется влиянием других каналов рекомбинации, к которым можно отнести рекомбинацию на поверхности.

Исследование механизмов рекомбинации в эпитаксиальных пленках р-типа проводимости из первой группы показали, что время жизни ННЗ определяется Оже-механизмом рекомбинации в области температур, соответствующих примесной проводимости (рис.3, кривые 1-3). Наличие центров захвата в материале приводит к проявлению медленной составляющей постоянной

□

времени релаксации фотопроводимости (рис.3, кривая 4). В эпитаксиальных пленках Hg} xCdxTe р-типа проводимости из второй партии основным механизмом рекомбинации, определяющим время жизни носителей заряда в области примесной проводимости, является рекомбинация на локальных центрах с энергией рекомбинационных уровней 1^=1^,+(0.020-^0.030) эВ (рис.3, кривые 5,6).

Проведены исследования температурных зависимостей времени жизни ННЗ и сигнала фотоответа при засветке эпитаксиальных пленок HgCdTe п- и р-типа со стороны подложки. Обнаружено, что в этом случае время жизни носителей заряда при возбуждении фотоносителей коротковолновым излучением со стороны подложки сравнимо с временем жизни при засветке со стороны свободной поверхности (г=0.8-1.2 мкс). Отмечается, что при засветке эпитаксиальной пленки с двух сторон остается аналогичным вид температурной зависимости времени жизни ННЗ и сигнала фотопроводимости. Это свидетельствует о хорошем качестве границы раздела пленка-подложка для второй группы образцов.

С целью повышения величины фотосигнала на образцах с низкими значениями величины времени жизни проведены исследования возможности имлульсно-радиационного воздействия на фотоэлектрические и электрофизические свойства эпитаксиальных структур, выращенных методом ЖФЭ и МЛЭ. Исходные образцы подвергались облучению мощными импульсными пучками электронов на ускорителях «МУК» и «Темп-2», созданных в ИФЦ НИИ ЯФ г.Томска, и имеющих следующие параметры : энергия электронов 150 кэВ и 500 кэВ, плотность тока (3-5) А/см2 и до 40 А/см2, длительность импульса тока 200 не и 80 не соответственно. Установлено, что в результате импульсного радиационного воздействия происходит повышение фоточувствигельности в 15-20 раз на >„=10.6мкм в сформированных облучением ЖФЭ-эпитаксиальных структурах и в 30-50 раз в МЛЭ-эпитаксиальных структурах по сравнению с исходными эпиструктурами дырочного типа проводимости. Поскольку после облучения не происходит существенного увеличения величины времени жизни носителей заряда, рост фоточувствигельности образцов (для первой партии) связывается со снижением концентрации основных носителей заряда.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок п- и р-типа проводимости и приведены результаты измерения основных фотоэлектрических параметров фоторезисторов, изготовленных из Hgi xCdxTe (х=0.21-0.23), выращенного методом МЛЭ.

С целью выяснения условий влияния рекомбинации ННЗ на границах раздела пленка-подложка и пленка-свободная поверхность, а также свойств объема эпитаксиальной пленки были проведены совместные исследования

спектральных характеристик и механизмов рекомбинации при возбуждении из областей поверхностного и объемного поглощения. В работе проводились измерения исследуемых параметров при послойном химическом стравливании поверхности пленок.

Экспериментальные исследования СХ фотопроводимости показали, что ряд пленок имеют варизонный характер изменения ширины запрещенной зоны по глубине фоточувствительного слоя. Неоднородность состава по глубине проявляется как сдвиг длинноволновой границы фоточувствительности при послойном стравливании, а также в различии измеренных значениях времени жизни носителей заряда при поверхностном и объемном возбуждении. Спектральные характеристики, измеренные при послойном стравливании, позволяют оценивать профиль ширины запрещенной зоны по глубине. В работе показано, что наличие буферного слоя на поверхности пленки оказывает положительную роль, поскольку после его удаления наблюдается снижение времени жизни носителей заряда в 4-6 раз. Обнаружено аномальное поведение спектральных характеристик фотосигнала в области длинноволновой границы на образцах р-типа проводимости. Появление выброса на спектральной зависимости фотоотклика связывается нами с наличием на поверхности эпитаксиальной пленки р-типа слоя с противоположным типом проводимости.

Исследование буферного слоя на границе раздела пленка-подложка показало, что он содержит дефекты типа центров захвата, проявляющихся в виде медленных составляющих на кривых релаксации фотопроводимости, о которых указывалось в главе 3. Обнаружена резкая зависимость амплитуды медленных составляющих сигнала фотопроводимости от температуры.

С целью исследования возможности создания высокочувствительных фотоприемников на основе МЛЭ-пленок, проведены экспериментальные исследования сигнальных и пороговых характеристик фоторезисторов, изготовленных из материала Н§Сс1Те п-типа проводимости. В работе представлены результаты исследования вольт-ваттной чувствительности образцов, определены основные механизмы определяющие шумовые характеристики фоторезисторов, измерены значения обнаружительной способности фоторезисторов на длинах волн 0.90 мкм и 10.6 мкм, а также от источника абсолютно черного тела (АЧТ, Т = 465 К).

Исследование вольт-ваттной чувствительности (В-х) фоторезисторов на основе эпитаксиальных структур ЩСсГГе, выращенных методом МЛЭ показало, что в материалах с высоким значением времени жизни (1-2 мкс) величины Я», при измерении от источника АЧТ составляют (103-105) В/Вт при размерах фоточувствительного элемента 500x500 мкм, что является достаточно высокой величиной, которая не уступает аналогичному параметру для фоторезисторов на монокристаллическом материале. Спад зависимости И-хСТ) в области перехода к собственной проводимости определяется

отношением времени жизни при оже-рекомбинации в собственном материале к собственной концентрации носителей заряда (Та; / П;) ~ ехр(3*Е^(2*кв*Т)). Определенная по наклону зависимости Ях(Т) величина состава материала достаточно хорошо согласуется с величиной состава, определенной

изготовителями в процессе роста из данных эллипсометрических измерений. Низкие значения при возбуждении на длине волны 10.6 мкм связаны с тем, что в экспериментах использовался материала с х= (0.21-0.22), с максимумом СХ фоточувствительности в области 8-9 мкм.

температурные зависимости

Рис.4 Температурные зависимости напряжения шума иш для образцов из второй группы (1,4). Кривые -2,5 соответствуют расчету иш(Т) в области примесной проводимости, кривые 3,6 - в области собственной проводимости.

Экспериментально исследовались напряжения шума (рис.4), а также зависимости напряжения шума от напряжения смещения на фоторезисторе. Обнаружено, что в области температур, соответствующих собственной проводимости напряжение шума имеет генерационно - рекомбинационную природу. В области примесной проводимости наблюдается расхождение между величиной экспериментально измеряемого напряжения шума и величиной, рассчитанной для модели полупроводника, близкого к собственному [4]. Данное расхождение может быть связано с несоответствием расчетной модели полупроводника, с реальной эпитаксиальной структурой, поскольку при построении модели шумов предполагалась малая степень компенсации в материале, отсутствие различных центров захвата, малая концентрация локальных рекомбинационных центров, отсутствие избыточных шумов.

При практическом использовании ИК-детекторов одним из наиболее важных параметров является обнаружи-тельная способность. Для фоторезисторов на основе эпитаксиальных пленок Ь^СёТе с составом х=0.20 получено наибольшее для исследованных образцов значение обнаружи-тельной способности (Б ) на длине волны 10.6 мкм, которое составило 1.2-1010 см-Гц1/2-Вт"' при Т=80 К. Высокое значение обнаружи-тельной способности связано прежде всего с оптимальным согласованием максимума спектральной чувствительности образца с длиной волны возбуждающего излучения. Более низкие значения О* в образцах с составом х=0.215-0.220 на длине волны 10.6 мкм обусловлены тем, что данные образцы имеют низкий коэффициент

1/1

, смТц - Вт

12 ю

11 10 -

10 10 4.0

6.0

8.0 103/т,

ю.о к-1

12.0

14.0

поглощения на этой длине волны. Температурные зависимости О* (рис.5) для этих фоторезисторов свидетельствуют об их высоких значениях при возбуждении на длине волны 0.9 мкм и, особенно, при использовании в качестве источника абсолютно черного тела (0*>5-10п см-Гцш-Вт'). Это объясняется тем, что данные образцы характеризуются

высокими значениями времени жизни и низкой величиной концентрации основных носителей

заряда, которые играют определяющую роль для величины В. Обсуждение полученных экспериментальных данных

проводилось с использованием модельных представлений,

Рис.5 Температурные зависимости обнаружигельной способности для образцов второй группы при использовании в качестве источника излучения АЧТ при температуре 465 К.

предложенных во второй главе, и показало хорошее согласие результатов расчета и эксперимента.

Измерения параметров фоторезисторов на основе структур Н^>Сс1Те, выращенных методом МЛЭ позволяют сделать вывод о высоком качестве эпитаксиальных структур не уступающих полупроводниковым материалам, изготовленным по другим технологиям, включая объемные методы. На основе проведенных исследований изготовлены высокочувствительные фото-резисторные приемники из эпитаксиальных пленок ЩС<1Те п-типа проводимости для диапазона 2-10 мкм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен теоретический анализ возможности использования варизонных эпитаксиальных структур Н§Сс1Те, для создания высокочувствительных ФПУ ИК-диапазона. Показано, что при выращивании тонких широкозонных слоев на поверхности эпитаксиальной пленки и границе раздела пленка - подложка удается значительно уменьшить влияние поверхностной рекомбинации и рекомбинации на границе раздела пленка-подложка на эффективное время жизни носителей заряда. Рассмотрено влияние толщины и состава поверхностного варизонного слоя на спектральную характеристику фоточувствительности фотоприемника на основе эпитаксиальных структур НцСсГГе, выращенных методом МЛЭ.

2. Проведен расчет параметров (емкость потенциальной ямы и время накопления носителей заряда Тц), характеризующих МДП-структуру с изотипным п-п+ гетеропереходом в качестве полупроводниковой подложки в неравновесном режиме. Показано, что в этом случае величина СК\/=(3-8)10"8 Кл/см2, что в 1.5 - 4.0 раза выше чем аналогичный параметр для МДП-структуры с однослойной подложкой. Значение времени накопления для МДП-структуры на широкозонном полупроводнике (х = 0.30) составляет 5 с, что значительно превосходит значение для узкозонного полупроводника (10~3 с). Для МДП-структуры на основе гетероструктуры время накопления должно иметь промежуточное значение, т.к. возрастает вклад диффузионной составляющей тока от узкозонного слоя, протекающего через гетерограницу в широкозонный слой. Сформулированы требования для параметров полупроводникового материала, необходимые для получения высокой чувствительности МДП-структур.

3. Экспериментально определены основные механизмы рекомбинации в эпитаксиальных пленках Н§СёТе, выращенных методом МЛЭ. Установлено, что в материале п - типа проводимости с х=0.20 - 0.23 в области температур, соответствующих примесной проводимости время жизни носителей заряда в случае высокой концентрации рекомбинанионных центров определяется рекомбинацией на локальных центрах. В случае низкой концентрации дефектов в данном температурном интервале время жизни определяется совместным действием Оже - рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах и поверхности, что подтверждается температурными зависимостями времени жизни носителей заряда а также зависимостями времени жизни носителей заряда от уровня постоянной засветки из области фундаментального поглощения. В области температур, соответствующих собственной проводимости время жизни носителей заряда определяется оже-рекомбинацией. Для лучших образцов п - типа получены значения времени жизни 1-2 мкс при Т=80К, что соответствует значениям времени жизни носителей заряда в объемном материале.

4. Определено, что в материале р - типа проводимости в зависимости от дефектности образцов время жизни ограничивается либо межзонной Оже -рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах. В случае рекомбинации на локальных центрах энергия активации рекомбинационното уровня составила Е^Еу+0.15-0.22 мэВ, что согласуется с известными литературными данными для объемного материала ЩСсГГе дырочного типа проводимости.

5. Установлено, что для некоторых образцов имеют место две составляющие в кинетике сигнала фотопроводимости. Наличие двух составляющих (быстрой и медленной) связывается с различием в механизмах рекомбинации. Быстрая составляющая определяется объемными механизмами

рекомбинации НЮ. Причиной появления медленной составляющей, проявляющейся при низких температурах при поглощении излучения вблизи границы раздела зпитаксиальная пленка-подложка, является существование в материале n-тнтта проводимости рекомбинационных центров с резкой асимметрией величин поперечных сечений захвата для электронов и дырок, а в материале р-типа - центров захвата.

6. Проведены исследования сформированных облучением эпитаксиалышх структур HgCdTe после импульсно-радиащюнных воздействий на ускорителе электронов «МУК» с энергией электронов 140кэВ, плотностью тока 5-6 А/см2, длительностью импульса 200 не. Установлено повышение фоточувствительности в 15-20 раз на 1=10.6 мкм в сформированных облучением ЖФЭ-эшггаксиальных структурах и в 30-50 раз в МЛЭ-эпитаксиальных структурах по сравнению с исходными эпитаксиалышми структурами р-типа проводимости. На основе разработанных рекомендаций по технологии получения эпитаксиального материала КРТ для модулей фотояриемников изготовлены из исходного материала р-типа проводимости, выращенного методом МЛЭ, образцы материала п-типа проводимости со следующими параметрами: концентрация электронов (3-5)-10'4 см-3, время жизни носителей заряда - (3-5)-10"7 с.

7. Проведение спектральных измерений при послойном удалении поверхностных слоев путем химико-механической полировки позволили обнаружить варизонный характер активной части ряда эгаггаксиальных пленок. Неоднородность состава по глубине проявлялась как сдвиг длинноволновой границы фоточувств ительности при послойном удалении поверхностных слоев структуры, а также как различие в значениях времени жизни при поверхностном и объемном возбуждении.

8. Показано, что поверхностный широкозонный слой существенно снижает влияние поверхностной рекомбинации на время жизни носителей заряда. Стравливание этого слоя снижало фоточувствигельность структур, связанное с уменьшением времени жизни носителей заряда, в 4 - 6 раз . Исследование буферного слоя на границе раздела пленка - подложка показало, что она содержит дефекты типа центров захвата, проявляющихся в виде медленных составляющих на кривых релаксации фотопроводимости. Отмечена резкая зависимость амплитуды медленных составляющих от температуры.

9. Обнаружено, что в области собственной проводимости напряжение шума имеет генерационно - рекомбинационную природу. В области примесной проводимости наблюдается расхождение между величиной экспериментально измеряемого напряжения шума и величиной напряжения шума, рассчитанной для модели полупроводника, близкого к собственному. Расхождение в величинах напряжения шума связано с тем, что в реальной эпитаксиальной структуре генерационно-рекомбинационный шум определяется как

межзонными механизмами рекомбинации, так и рекомбинацией на локальных центрах и центрах захвата.

10. Проведены исследования основных характеристик фоторезисторов на основе эпитаксиальных структур HgCdTe п - типа проводимости. Обнаружено, что в образцах с высокими величинами временем жизни носителей заряда (1-2) мкс удается реализовать режим ограничения флуктуациями фонового излучения. Получены значения вольт-ваттной чувствительности R>=5-103 В/Вт и (0.7-1.0)105 В/Вт и обнаружительной способности D*=1.5-1010 см-Гцш-Вт1 и (0.6 - 1.0)1012 смГц'^-Вт1 при Т=80 К на длине волны 10.6 мкм и при использовании излучения АЧТ при Тачт=465 К соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. А.В.Войцеховский, А.П.Коханенко, Ю.А.Денисов. Неохлаждаемые фотоприемники из КРТ на диапазон 2-3 мкм // Тезисы докладов 2 межреспубликанского симпозиума «Оптика атмосферы и океана».- Томск, 1995.- С.32.

2. Kokhanenko А.Р., Korotaev A.G., Voitsekhovskii A.V., G.E.Remnev, M.S.Opekunov, Yu.A.Denisov, D.A.Oucherenko, V.A.Tarbokov. High pover pulse electron beam modification and ion implantation of HgCdTe crystals // Abstracts of international conference «BEAMS-96».- Prague, 1996.- P. P-3-17.

3. Voitsekhovskii A.V., Denisov Yu.A., Kokhanenko A.P., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Michailov N.N. Lifetime of a charge carriers in structures based on Hgi-xCdxTe (x = 0.195-0,230), grown by a method molecular - beam epitaxy // Abstracts of international conference "Material science and material properties for infrared optoelectronics".- Uzhgorod, 1996, P. 19

4. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко, B.C. Варавин, С.А.Дворецгаа1, ВЛ'.Либсрман, Н.Н.Михайлов, Ю.Г.Сидоров. Фотоэлектрические и шумовые характеристики эпитаксиальных структур на основе Hgi ,vCdxTe (x = 0.22) // Автометрия, 1996.- в.4.- С.51-58.

5. А.В. Войцеховский, М.С. Опекунов, Г.Е. Ремнев, А.П. Коханенко, Ю.А. Денисов, Д.А. Ушеренко, В.А. Тарбоков. Модификация КРТ импульсными пучками электронов высокой мощности // Тезисы докладов 4-ой Всеросийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц // Томск, 1996.-С.373 - 375.

6. KokhanCIîko А.Р., Korotaev A.G., Voitsekhovskii A.V., G.E.Remnev, M.S.Opekunov, Yu.A.Denisov, P.A.Oucherenko, V.A.Tarbokov. High pover puise electron beam modification and ion implantation of HgCdTe crystals // Proceedings of international conference «BEAMS-96».- Prà^e, 1996,- Vol. 2.- P. 817-820.

7. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко. Неохлаждаемые фотоприемники ИК диапазона из эпитаксиальных пленок КРТ // Тезисы докладов 4 симпозиума "Оптика атмосферы и океана".- Томск, 1997.- С. 199.

8. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко, Ушеренко Д.А. Фотоэлектрические и шумовые характеристикм КРТ-фотоприемников на основе эпитаксиальных пленок, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Тезисы докладов 4 симпозиума "Оптика атмосферы и океана".-Томск, 1997.- С.206-207.

9. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко, B.C. Варавин,

C.А.Дворецкий, В.Т. Либерман, Н.Н.Михайлов, Ю.Г. Сидоров. Время жизни носителей заряда в структурах на основе Hg,.xCdxTe (х=0.22), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // ФТП.- 1997.- т.31.- в.7.- С.774-776.

10. A.V. Voitsekhovskii, А.Р. Kokhanenko, Yu.A.Denisov,

D.A.Oucherenko, G.E.Remnev, M.S.Opekunov. High power pulse electron beam modification of HgCdTe // Abstracts of 11 International Conference on Ternary and Multinary Compounds (ICTMC 11).- Salford, 1997.- Pl.l

11. Voitsekhovskii A.V., Denisov Yu.A., Kokhanenko A.P., Varavin V.S., Dvoretsky S.A., Michailov N.N. Lifetime of a charge carriers in structures based on Hgi.xCdxTe (x = 0.195-0.230), grown by molecular - beam epitaxy method // Abstracts of 11 International Conference on Ternary and Multinary Compounds (ICTMC 11).- Salford, 1997.-p.P2.1

12. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко, B.C. Варавин,

C.А.Дворецкий, Н.Н.Михайлов, Ю.Г. Сидоров, М.В. Якушев. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в эпитаксиальных пленках Hg].xCdxTe, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Изв.ВУЗов.Физика,-1997,- 9.- С.96-101.

13. А.В.Войцеховский, Ю.А.Денисов, А.П.Коханенко Разработка ИК-фотоприемников на основе эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии // Тезисы докладов 3-ей международной научно-практическая конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (СИБРЕСУРС-3-97).-Красноярск-Томск, 1997,- С. 79-80.

14. A.V. Voitsekhovskii, А.Р. Kokhanenko, Yu.A.Denisov,

D.A.Oucherenko, G.E.Remnev, M.S.Opekunov. High power pulse electron beam modification and ion implantation of HgCdTe epitaxial structures // Procedings of SPIE.- 1997.-v.3182,- P. 375-379.

Список цитированной литературы.

1. О.В. Константинов, Г.В. Царенков Фотопроводимость и эффект Дембера в варизонных полупроводниках // ФТП, 1976, т. 10, в.4,с.720-728.

2. Goodwin M.W., Kinch М.А., Koestner R.J. Metal-insulator semiconductor properties of molecular - beam epitaxy grown HgCdTe heterostructures // J.Vac.Sci.Technol., 1990., A.8, p.1226-1232.

3. A.B. Войцеховский, Ю.В. Лиленко Быстродействие фоторезисторного приемника кадмиевого теллурида ртути // Импульсная фотометрия. Л.: Машиностроение, 1979. №6 с.200-204.

4. М.А. Kinch, S. R. Borrello, A. Simmons 0.1 eV HgCdTe photoconductive detector performance // Infr. Phys. 1977, vol. 17, №2, p. 127-135.

Министерство общего и профессионального образования РФ Томский государственный университет

б/.'

На правах рукописи

ДЕНИСОВ ЮРИЙ .АЛЕКСЕЕВИЧ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТ АКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ Н^сГГе, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНО - ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, профессор Войцеховский А. В. кандидат физ.-мат. наук., ст. н. с. Коханенко А.П.

ТОМСК 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Фотоэлектрические и рекомбинационные свойства узкозонных

твердых растворов KPT 11

1.1 Механизмы рекомбинации носителей заряда в KPT 11

1.1.1 Оже-рекомбинация 12

1.1.2 Излучательная рекомбинация 14

1.1.3 Рекомбинация через локальные центры 16

1.2 Рекомбинационные свойства КРТ, полученного

объемными методами 18

1.2.1 Механизмы рекомбинации в объемном материале КРТ

п - типа проводимости 18

1.2.2 Механизмы рекомбинации в объемном материале КРТ

р - типа проводимости 20

1.2.3 Влияние на время жизни неравновесных носителей заряда поверхностной рекомбинации, неоднородностей состава,

уровня оптического возбуждения 21

1.3 Фотоэлектрические свойства варизонных структур на основе КРТ 24

1.4 Рекомбинационные свойства эпитаксиальных структур

на основе КРТ, выращенного МЛЭ. 26

1.5 Исследование фотоприемных устройств на основе КРТ 32

1.5.1 Фотоприемники на основе КРТ, выращенного

объемными методами 32

1.5.2 Исследования фотоприемников на основе эпитаксиальных

структур, выращенных методом МЛЭ. 35

Выводы и постановка задачи. 39

2. Расчет фотоэлектрических и рекомбинационных параметров варизонных эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ 41 2.1 Распределение неравновесных носителей заряда и эффективное

время жизни в варизонных структурах 42

2.1.1 Уравнения переноса 43

2.1.2 Расчет эффективного времени жизни неравновесных носителей

заряда в варизонных структурах КРТ. 52

2.1.3 Влияние основных параметров материала и эффекта вытягивания на эффективное времени жизни неравновесных носителей заряда. 67

2.2 Расчет спектральных характеристик эпитаксиальных структур КРТ. 78

2.2.1 Спектральное распределение фоточувствительности в

образцах КРТ, выращенных объемными методами. 78

2.2.2 Особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом МЛЭ. 82

2.2.2.1 Влияние градиента ширины запрещенной зоны на

спектральные характеристики фотопроводимости. 82

2.2.2.2 Влияние рекомбинации на поверхности на

спектральные характеристики фотопроводимости. 85

2.2.2.3 Влияние неоднородносгей состава на

спектральные характеристики фотопроводимости. 87

2.3 Расчет основных параметров фоторезисторов

на основе эпи таксиальных структур КРТ, выращенных методом МЛЭ. 89

2.3.1 Вольт-ватгная чувствительность 89

2.3.2 Шумовые характеристики. 94

2.3.3 Обнаружительная способность. 9 8

2.4 Расчет параметров МДП-фотоприемника с полупроводниковой подложкой на основе п-п+ изотопной гетероструктуры. 104 Выводы 115 3. Исследование механизмов рекомбинации носителей заряда

в эпитаксиальных пленках КРТ, выращенных методом МЛЭ. 118

3.1 Методика эксперимента. 118

3.2 Время жизни носителей заряда в эпитаксиальных пленках КРТ

п - типа проводимости. 123

3.3 Время жизни носителей заряда в эпитаксиальных пленках КРТ

р - типа проводимости. 132

3.4 Время жизни носителей заряда в эпитаксиальных пленках КРТ

при засветке образцов со стороны подложки. 136

3.5 Модификация параметров эпитаксиального КРТ

импульсными пучками электронов. 140

Выводы 150 4. 4. Исследование основных параметров фото чу в ств ительных структур

на основе эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ. 152

4.1 Исследование спектральных характеристик

эпитаксиальных структур КРТ. 152

4.1.1 Методика исследования спектральных

характеристик фотопроводимости. 153

4.1.2 Исследование спектральных характеристик образцов, изготовленных из объемного материала КРТ. 154

4.1.3 Исследование спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ. 156

4.2 Исследование параметров фоторезисторных приемников

на основе эпитаксиального КРТ, выращенного методом МЛЭ. 168

4.2.1 Методика эксперимента, 168

4.2.2 Основные характеристики фоторезисторов на основе эпитаксиальных структур КРТ, выращенных методом МЛЭ. 173

4.2.2.1 Постоянная времени 174

4.2.2.2 Спектральные характеристики фотопроводимости 174

4.2.2.3 Вольт-ваттная чувствительность 176

4.2.2.4 Шумовые свойства. 182

4.2.2.5 Обнаружительная способность. 184 Выводы 188 Заключение 190 Список литературы 194 Приложение 208

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время получают распространение альтернативные по отношению к HgCdTe варианты ИК. фотоприемников на основе структур с квантово-размерными эффектами на GaAs и кремниевых диодов с барьером Шоттки в виде силицида металлов. В то же время твердый раствор Hgj xCdxTe (х=0.2-0.3) остается основным

материалом для создания приемников излучения, включая многоэлементные матрицы, в диапазоне длин волн 3-5 и 8-14 мкм для различных систем тепловидения.

Использование методов получения объемного материала полупроводникового соединения HgCdTe не всегда позволяет получать материал с параметрами, требуемыми для создания высокочувствительных ИК-фотоприемников. Кроме того, фотоприемники, изготовленные с использованием объемного материала, имеют высокую стоимость из-за потери значительной части выращенного материала в результате различных технологических операций. Поэтому в настоящее время важное значение приобретают эпитаксиальные методы получения HgCdTe, такие как жидкофазиая эпитаксия (ЖФЭ), МОС - гидридная эпитаксия, молекулярно-лучевая эгштаксия (МЛЭ).

Уникальные возможности для создания эпитаксиальных структур HgCdTe предоставляет метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Материал HgCdTe, выращенный данным методом, характеризуется высокой степенью однородности свойств в пределах достаточно больших размеров подложки, а также, что очень важно, заранее заданными профилями легирования и состава. Это позволяет создавать на его основе многоэлементные полупроводниковые детекторы излучения, обеспечивающие обработку сигнала непосредственно в фокальной области. Кроме того, технология МЛЭ является базовой для формирования структур типа сверхрешеток и квантовых ям на основе систем HgTe / CdTe, поэтому разработке и исследованию свойств Hg, „CdYTe (KPT), выращенных методом МЛЭ, уделяется

1 "Л J\

большое внимание.

Наиболее важным параметром фоточувствительного материала является время жизни носителей заряда в области рабочих температур фотоприемного устройства, которое определяет, в конечном счете, его фотоэлектрические и флуктуационные характеристики. Необходимо отметить, что в настоящее время имеется

незначительное число работ, в которых приводятся результаты исследований механизмов рекомбинации носителей заряда в пленках Н§СёТе, выращенных методом МЛЭ. Поэтому представляют интерес проведение исследований времени жизни фотоносителей в эпитаксиалыюм материале и анализ возможных механизмов рекомбинации в материале п- и р-типа проводимости.

Использование технологии МЛЭ позволяет получать эиитаксиальные слои толщиной порядка диффузионной длины, что является весьма важным условием реализации высокочувствительных фотоприемников. При этом важную роль играют свойства границ раздела эпитаксиальная пленка - подложка и эпитаксиальная пленка - свободная поверхность. Для изучения свойств границ раздела представляет интерес совместное исследование спектральных характеристик фотопроводимости и времени жизни носителей заряда.

Перспективным направлением как создания новых видов фотоприемных устройств, так и совершенствования существующих фотоприемников, являются возможности метода МЛЭ по созданию эпитаксиальных структур с заранее заданными параметрами, такими как профиль ширины запрещенной зоны, концентрация примесей, толщина и т.д. Однако, применительно к узкозонным полупроводниковым соединениям, вопросы, связанные с влиянием на основные свойства фотоприемных устройств параметров выращенных варизонных эпитаксиальных слоев изучены не достаточно полно. В связи с этим представляет научный интерес проведение теоретического анализа основных свойств фотоприемников, включая анализ сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиальных структур И^СсГГе, выращенных методом МЛЭ.

Целью настоящей работы является изучение рекомбинационных и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных структур ЩСдТе (х=0.2-0.3), выращенных методом МЛЭ, для создания на их основе высокочувствительных фотоприемников.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

теоретический анализ электрофизических, рекомбинационных и

фотоэлектрических параметров варизонных эпитаксиальных структур на основе Н§Сс1Те;

- исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда (ННЗ) в эпитаксиальных структурах на основе Б^СдТе п- и р-типа проводимости при возбуждении источниками излучения с различными длинами волн (Х-0.90 мкм, Я=10.6 мкм), соответствующими поглощению в приповерхностной области и в объеме эгштаксиальной пленки соответственно;

исследование спектральных характеристик фоточувствительности энитаксиальных структур на основе ЩСсГГе,

- исследование влияния границ раздела пленка - подложка и пленка -свободная поверхность на рекомбинационные и спектральные характеристики эпитаксиальных структур;

- исследование сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиальных структур Н§£МТе, выращенных методом МЛЭ, и изготовление макетов фоторезисторных приемников.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Определены механизмы рекомбинации в эпитаксиальных структурах Н^СдТе, выращенных методом МЛЭ п- и р-типа проводимости в интервале температур 77-300 К. Показано, что в эпитаксиальных пленках п-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной проводимости, время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах. В эпитаксиальном материале р-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной проводимости, в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах.

Выявлены особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок ЩСсГГе с различными профилями ширины запрещенной зоны (варизонный характер объемной части эпитаксиальной структуры, наличие варизонных буферных слоев на границах раздела).

Установлено, что удаление варизонного буферного слоя на границе раздела эпитаксиальная пленка - свободная поверхность приводит к существенному снижению времени жизни носителей заряда из-за увеличения роли поверхностной рекомбинации.

Показано, что создание МДП-структуры с полупроводниковой подложкой, выполненной в виде n-rf изотипного гетероперехода способствует улучшению основных характеристик такого прибора: емкости потенциальной ямы и времени накопления в 2-4 раза.

Практическая и научная ценность работы.

1. Разработана программа расчета основных параметров фоторезисторов на основе эпитаксиальных структур HgCdTe, которая может применяться при выращивании эпитаксиальных структур для определения их оптимальных характеристик. Выработаны рекомендации по созданию фотоприемных устройств на основе МДП-структуры с изотипным гетеропереходом в качестве полупроводниковой подложки;

2. Экспериментальные результаты, полученные в работе, могут использоваться для совершенствования технологических процессов выращивания эпитаксиальных пленок HgCdTe методом МЛЭ;

3. Сведения о механизмах рекомбинации носителей заряда, особенностях спектральных характеристик необходимо учитывать при интерпретации результатов фотоэлектрических измерений;

4. Изготовлены макеты фоточувствительных фоторезисторных приемников на диапазон длин волн 2-10 мкм.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии Сибирского физико-технического института (Томск-1996г.), международной конференции «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Uzhgorod-1996i.), Международной конференции «BEAMS-96» (Prague-1996), Международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford-1997), 2,4,5 симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск-1995,1997,1998 г.), 3-ей международной научно-практической конференции «Сибресурс» (Красноярск-1997).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу литературных данных, опубликованных к моменту написания диссертации и касающихся рекомбинационных характеристик

узкозонных твердых растворов КРТ, а также параметров фотоприемных устройств, созданных на основе этого материала.

Во второй главе проведен расчет параметров фотоприемников, созданных на основе варизонных эпитаксиальных пленок КРТ. Основное внимание уделялось рассмотрению вопросов, связанных с влиянием профиля ширины запрещенной зоны полупроводника на распределение концентрации неравновесных носителей заряда (ННЗ) при фотовозбуждении, на эффективное время жизни ННЗ, на особенности спектральных характеристик фотопроводимости, на значения пороговых характеристик фотоприемников. Проведена оценка влияния параметров материала (времени жизни, подвижности носителей заряда) на эффективное время жизни ННЗ в варизонных полупроводниковых структурах на основе эпитаксиальных пленок КРТ. Проведен расчет параметров МДП-структуры с п-п+ изотопной гетероструктурой в качестве полупроводниковой подложки.

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты исследования механизмов рекомбинации носителей заряда в эпитаксиальных структурах на основе КРТ 11- и р-типа проводимости, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии при возбуждении ННЗ излучением с А,=10.6 мкм и 1=0.90 мкм. Проведены исследования температурных зависимостей времени жизни носителей заряда и сигнала фотоответа при засветке эпитаксиальных пленок КРТ со стороны подложки. С целью повышения величины фотосигнала на образцах с низкими значениями времени жизни проведены исследования возможности управления методом импульсно-радиационного воздействия на фотоэлектрические и электрофизические свойства эпитаксиальных структур, выращенных методами ЖФЭ и МЛЭ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальных пленок л- и р-типа проводимости и приведены результаты измерения основных фотоэлектрических параметров (вольт-ваттная чувствительность, напряжение шума, обнаружительная способность) фоторезисторов, изготовленных из эпитаксиальных структур КРТ.

В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.

В приложении приведена справка о внедрении результатов диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В эпитаксиальиых пленках Н^.хСс^Те, выращенных методом МЛЭ, п-типа проводимости с х^О.20-0.23 в области температур, соответствующих примесной проводимости время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных центрах. В эпигаксиальном материале р-тииа проводимости, с х=0.21-0.22 в области температур, соответствующих примесной проводимости в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах с энергией рекомбинационного уровня Ек=Е„+0.15-0.22 эВ, отсчитываемой от потолка валентной зоны.

2. Особенности спектральных характеристик фотопроводимости эпитаксиальиых пленок ЩСёТе, выращенных МЛЭ, проявляющиеся в плавной длинноволновой границе фото чувствительности, в сдвиге граничной длины волны при послойном стравливании, в отсутствии заметного спада кривой спектральной характеристики в области коротких длин волн определяются наличием буферных широкозонных слоев на границах раздела эпигаксиальная пленка-подложка и эпитаксиальная пленка - свободная поверхность и варизонностью узкозонной части эпигаксиальных структур.

3. Наличие двух составляющих (быстрой и медленной) в кинетике сигнала фотопроводимости в эпитаксиальиых пленках связывается с различием в механизмах рекомбинации. Быстрая составляющая определяется объемными механизмами рекомбинации ННЗ, а причиной появ�