Инфракрасные детекторы на основе HgMnTe: физические и технологические проблемы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА

0Ä

о'«*®

Сун Вейгуо

УДК 621.315.292

ІНФРАЧЕРВОНІ ДЕТЕКТОРИ НА ОСНОВІ ЩМпТс: ФІЗИЧНІ І ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ

Спеціальність 01.04.10- фізика напівпровідників і діелектриків

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математишшх наук

Чернівці - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті оптоелектроніки, м. Лоян, Китайська Народна Республіка і Чернівецькому державному університеті імені Юрія Федьковича.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Косячепко Леонід Андрійович, Чернівецький державний університет, завідувач кафедри оптоелектроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Лашкарьов Георгій Вадимович, Інститут матеріалознавства НАН України, завідувач відділом (м. Київ)

доктор фізико-математичних наук, професор Паранчич Степан Юрійович, Чернівецький державний університет, професор кафедри фізичної електроніки

Провідна організація: Інститут фізики напівпровідників НАН

України (м. Київ)

Захист відбудеться 27 вересня 2000 р. о 14-ій год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д76.051.01 при Чернівецькому державному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького державного університету імені Юрія Федьковича (вул. Л. Українки, 23).

Автореферат розісланий" ¿М" » 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

М.В. Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Дослідження і розробка детекторів інфрачервоного (14) випромінювання є важливою науково-технічною проблемою. Представляючи значний фізичний інтерес, такі детектори, в той же час, є складовою частиною багатьох спектроскопічних систем для фундаментальних досліджень, тепловізійної апаратури для промисловості, медицини і оточуючого середовища, пошуку природних ресурсів Землі, 14 радіометрів І далекомірів, інших галузях науки і техніки.

Сьогодні твердий розчин Hg|.xCdxTe є одним із найважливіших напівпровідників для високоефективних 14 детекторів як фоторезистив-ного, так і фотовольтаічного типу. Однак, добре відомі і серйозні технологічні проблеми, зумовлені "нестабільністю" кристалічної гратки Hgi_xCdxTe, поверхні кристалу і меж поділу. Ці проблеми спричиняють пошук матеріалу, який би дозволив покращити характеристики і параметри приладів, особливо для “атмосферного вікна” в області довжин хвиль 8-14 мкм.

Як альтернатива Hgi.xCdxTe детекторам, були запропоновані фоторезистори на основі домішкової фотопровідності в Si і Ge, фотодіо-ди з бар’єром Шотткі типу Pt-Si і Ir-Si, дія яких базується на фотозбуд-женні носіїв з шару силіціду в напівпровідник. Досліджено також 14 детектори, які працюють на міжпідзонних електронних переходах в надгратках Gai.xAlxAs/GaAs, InAsl xSbK/InSb, Si,.xGev/Si та іншого типу, а також високотемпературні надпровідники, зокрема УВаСиО або Ваі.хКхВіО, спектр чутливості яких охоплює широкий діапазон від ультрафіолетового до міліметрового випромінюванім. Проте всі ці детектори або потребують глибокого охолодження, або ж поступаються за ключовими параметрами перед фотодіодами на основі Hgt.xCdxTe.

В середині 1980-х років було теоретично обгрунтоване передбачення, що твердий розчин телуриду ртуті-марганцю (HgbxMnxTe) може стати перспективним матеріалом 14 техніки. В наступні роки це передбачення було підкріплене аналізом наукових і технологічних аспектів проблеми. Проте цілий ряд питань щодо електричних і оптичних властивостей монокристалів, механізмів переносу заряду і фотоелектричних процесів в діодних структурах, а також проблеми технології створення багатоелементних матриць Hgj_xMnxTe фотодіодів, на початок виконання дисертації залишались нез’ясованими. З викладеного випливає актуальність дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана в рамках планів науково-дослідних робіт Інституту Оптоелектроніки (м. Лоян, КНР) в 1996-2000 рр. та науково-дослідної роботи "Дослідження процесів переносу заряду та оптичних явищ в бар'єрних структурах на основі напівпровідникових сполук", які виконувались на кафедрі оптоелектроніки Чернівецького державного університету ім. Юрія Федьковича в рамках Координаційного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України "Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники, діелектрики та рідини" (1997-1999 рр.), а також двох угод про науково-технічне співробітництво між Чернівецьким державним університетом і Інститутом оптоелектроніки від 29 червня 1993 р. і 27 травня 1997 р.

Мета роботи

З‘ясування фізичних процесів, що визначають електричні і фотоелектричні властивості діодних структур на основі Нці.хМпхТе (х » 0.1), і розробка промислово-придатної технології виготовлення високо-стабільних багатоелементних детекторів інфрачервоного випромінювання на цьому матеріалі для спектральної області 3-14 мкм. Для досягнення цієї мети необхідно було розв‘язати наступні задачі:

* Дослідити необхідні для інтерпретації характеристик діодних структур електричні і оптичні властивості монокристалів Ь^і_хМпхТе (х « 0.1), давши їм пояснення в рамках існуючої теорії.

* Розробити технологію формування р-и-переходів в ІІ§і.хМпхТе, пасивації поверхні напівпровідника і створення омічних контактів до р-і п- областей структури. З використанням сучасної напівпровідникової технології виготовити багатоелементні Н§і.хМпхТє детектори для області 3-14 мкм.

* З‘ясувати механізми переносу заряду в Щі_хМпхТе фотодіодних структурах, встановивши роль дифузійних, генераційно-рекомбіна-ційних, тунельних і лавинних процесів у визначенні їх характеристик.

* Пояснити фотоелектричні характеристики і параметри досліджуваних І-^і_хМпхТе фото діодів, особливо їх спектри чутливості та виявну здатність.

з

Наукова новизна одержаних результатів

* Фізично обгрунтовано і вперше реалізовано пасивацію Н§ЬхМпхТе фторидами марганцю, ртуті і телуру, а також трьохшарову Аи/Сг/РсІ/ЩМпТе металізацію, що забезпечує надійний захист поверхні кристалу при малій густині поверхневих станів і омічність контактів до р- і «-областей діодної структури.

* Вперше дано кількісну інтерпретацію електричних характеристик досліджуваних фотодїодів. З'ясована роль в переносі заряду генерації-рекомбінації носіїв в збідненому шарі «+-р-переходу, дифузії, тунелювання і лавинного помноження носіїв.

* Із врахуванням фотогенерації в області просторового заряду і нейтральних областях діодної структури, а також поверхневої рекомбінації, обгрунтовано механізми, які дають кількісне описання спостережуваних спектрів фоточутливості і виявної здатності Н2і_хМпхТе переходів.

. * На основі сучасної напівпровідникової технології вперше

виготовлено багатоелементні матриці високостабільних ^і.хМпхТе фотодіодів з чутливими в атмосферних “вікнах” 3-5 і 8-14 мкм и+-р-переходами, сформованими іонним травленням.

Практичне значення одержаних результатів

Результати дослідження поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають електричні і фотоелектричні характеристики діодів на основі Щі.хМпхТе та інших вузькозонних напівпровідників. Одержані результати можуть бути застосовані в розробці і виробництві конкурентно здатних інфрачервоних детекторів на основі ^і_хМпхТе.

Публікації і особистий внесок дисертанта

За результатами дослідження опубліковано 10 праць: 7 статей в українських та зарубіжних наукових журналах та 3 тез доповідей на міжнародних конференціях. Список публікацій наведено в кінці автореферату. Дисертанту належить проведення всіх технологічних робіт по виготовленню зразків і переважна частина експериментальних досліджень [1-10], окрім частини результатів, представлених в роботах [1-3]. Аналіз одержаних результатів, їх інтерпретація і формулювання основних висновків роботи зроблені дисертантом або самостійно [4], або разом із співавторами опубліковані« праць при його безпосередній участі [1-3, 5-10].

Апробація роботи

Основні результати дисертації були представлені на третій міжнародній конференції з проблем напівпровідникового матеріалознавства (7-11 вересня 1999 p., Чернівці), міжнародній конференції "Advanced Materials" (3-7 жовтня 1999 p., Київ), п‘ятій міжнародній конференції з матеріалознавства та властивостей матеріалів інфрачервоної оптоелектроніки (22-24 травня 2000 p., Київ).

Структура і обсяг дисертації

Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаної літератури та додатку. Робота викладена на 150 сторінках, включає 48 рисунків, 4 таблиці і список літератури (86 джерел).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обговорюється актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, приведено дані про апробацію роботи, публікації та особистий внесок дисертанта.

В першому розділі представлено аналітичний огляд літератури по темі дослідження. Розглянуто енергетичну структуру і залежності основних параметрів Hgt.xMnxTe від вмісту марганцю і температури. Як і для Hg,.xCdxTe, для Hgt_xMnxTe, характерні: мала ефективна маса електронів, їх велика рухливість, інверсія типу провідності при зміні температури та інші ефекти. Явища переносу заряду і оптичні ефекти в Hgi_xMnxTe, як “напівмагнітного” напівпровідника, при накладанні сильного магнітного поля детально вивчені, особливо при низьких температурах (4-20 К). Проте грунтовні дослідження електричних і оптичних властивостей цього матеріалу в слабких магнітних полях і актуальній для застосування в фотодіодах області температур 77-300 К фактично не проводились. Експериментальних даних по власному поглинанню в широкому спектральному діапазоні, які необхідні для інтерпретації фотоелектричних характеристик фотодіодів, немає. Електронно-діркові переходи в Hgi.xMnxTe створювались в основному методом дифузії або іонної імплантації. Проте технологія виготовлення багатоелементних детекторів груповим методом із залученням пасивації, нанесення антивідбиваючих покрить, розгалуженої системи омічних контактів не апробована. Механізми переносу заряду в Hg].xMnxTe р-п-переходах детально проаналізовано теоретично з урахуванням дифузійних, генераційно-рекомбінаційних і тунельних механізмів. Не з’ясовано, який з цих механізмів за даних умов є

домінуючим. Щодо фотоелектричних характеристик Н§|.хМпхТе діодів, то детально досліджено процеси, що визначають виявну здатність, але, знову ж таки, тільки теоретично. Експериментальних даних щодо фотоелектричних характеристик діодів, включаючи їх спектри чутливості, недостатньо.

В другому розділі описано електричні та оптичні властивості монокристалів І^і.„МпхТе (виготовлені на кафедрі мікроелектроніки Чернівецького університету), які в подальшому використовувались для виготовлення і дослідження 14 детекторів. Представлено результати, необхідні для інтерпретації характеристик фотодіодних структур та визначення їх параметрів [1-3]. Доведено, що загалом електрична провідність кристалів Не,.хМпхТе (х « 0.1) має змішаний характер. Вирощені кристали, звичайно р-типу провідності при низьких температурах, трансформуються при підвищенні температури в матеріал и-типу (внаслідок зростаючої ролі електронів в переносі заряду) при тим нижчій температурі, чим вужча заборонена зона напівпровідника Е& і менша концентрація акцепторів. Врахування набагато більшої рухливості електронів у порівнянні з дірками, а також залежності рухливості носіїв від температури, дозволяє пояснити спостережувані температурні залежності коефіцієнта Холла і електропровідності.

Результати розрахунків засвідчують, що завдяки тому, що в Н§і-хМп*Те (х я 0.1) ефективна маса електронів тс набагато менша ефективної маси дірок /?гь (оте ~ рівень Фермі може розташо-

вуватись ближче до зони провідності напівпровідника навіть у випадку, коли концентрація акцепторів іУа перевищує концентрацію донорів . Оскільки рухливість електронів набагато більша ніж рухливість дірок (~І02), коефіцієнт Холла і при Лга > може мати від‘ємний знак. Важливо, що у вихідних монокристалах концентрація дірок звичайно перевищує концентрацію електронів і тим більше, чим нижча температура і ширша заборонена зона напівпровідника.

Оптичне поглинання в досліджуваних монокристалах Нйі.хМплТє зумовлене як міжзонішми, так і внутрішньозонними переходами вільних носіїв. Міжзонне поглинання описується в рамках моделі Кейна із законом дисперсії в зоні провідності [1*]

де

Ес(к) = Ггк2/2тс + 1/2[т/ (к) -7}(к) = (Е&2 + 8/ЗР2кУп ,

(1)

Ес - енергія електрона в зоні, к - хвильове число, й - постійна Планка, Р

- параметр, який визначається енергетичною структурою кристала. В області а < 200 - 300 см'1 (а - коефіцієнт поглинання) теорія дає завищені значення а в порівнянні з експериментом (рис.1). Таке “розмиття” краю власного поглинання пояснюється флуктуаціями складу та мікровюпоченнями з хімічним складом, відмінним від основного кристала. Застосована модель Кейна пояснює також температурні зміни оптичного поглинання, якщо врахувати температурну залежність ширини забороненої зони напівпровідника, а також зміну ефективної маси носіїв заряду, особливо коли йдеться про матеріал и-типу провідності. З іншого боку в області а < 700-800 см-1 відхиленням закону дисперсії від параболічного можна знехтувати навіть для випадку вузькозонного Н£|.хМпхТе.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

/її', еВ

Рис. 1. Коефіцієнт оптичного поглинання а в залежності від енергії фотона /¡V для Нці.хМігхТе з різним вмістом Мп. Пунктирними кривими показані розраховані залежності

Детальні дослідження, представлені в третьому розділі роботи засвідчують, що характеристики приладів на основі І^.хМпДе в значній мірі визначаються властивостями поверхні напівпровідника

[2,7]- Тому при розробці технології виготовлення Н§і_хМпхТе діодних структур явищам на поверхні і інтерфейсах “напівпровідник- діелектрик (пасивуючий шар)” і “метал-напівпровідник” надано значної уваги.

Для визначення енергії зв’язку, а також хімічного складу приповерхневих шарів і його зміни по товщині, застосовувалась методика рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФС) в поєднанні з поетапним стравлюванням іонами аргону з енергією 5 кеВ. [4]. Пасивація поверхні Н§і.хМпхТе здійснювалась методом анодування фторидами в безводному розчині №І4Р в етиленгліколі. Результати РФС аналізу свідчать про те, що плівка, утворена при анодуванні Н^і.хМпхТе, являє собою суміш фторидів Мп, Н§ і Те, а також оксиду телуру, причому шар, що прилягає до Н§,.хМпхТе, складається виключно з фторидів. Вольт-ємнісні характеристики структур метал-діелектрик-напівпровідник виявляють дуже малий гістерезис, що вказує на малу густішу “повільних” поверхневих станів. Результати РФС аналізу показують також, що при паладіюванні Н^_хМпхТе ніякі сполуки з Реї не утворюються, а відбувається тільки його дифузія в приповерхневий шар кристалу. Проведені дослідження контактного опору свідчать про придатність процесу Аи/Сг/РсІЯ^МпТе металізації для створення омічних контактів як до п- так і р-областей фотодіодної Н§і.хМпхТе структури.

В четвертому розділі представлено результати розробки технології виготовлення Щі_хМпхТе фотовольтаічних детекторів, яка включає ряд важливих етапів: (1) створення р-и-переходу з необхідним розподілом домішок по товщині, (2) здійснення пасивації для захисту поверхні напівпровідника і забезпечення мінімальних поверхневих струмів, (3) нанесення контактних площадок для приєднання електродів до р- і п-областей діодної структури [1, 2, 7]. Кожному з цих етапів звичайно передують хоч і допоміжні, але відповідальні операції.

Проведені дослідження іонного травлення (Аг) та іонної імплантації (В) кристалів Н§і.хМпхТе р-типу провідності дозволили створити и+-р-переходи з відтворюваними і стабільними характеристиками, а методи фотолітографії забезпечили надання необхідної топології активних областей і контактних площадок баатоелементних матриць Н§і.хМпхТе фотодіодів. Із застосуванням пасивації і багатошарової металізації виготовлено К^і.хМпхТе фотодіодні матриці планарного та меза типу з прийнятними для практичного застосування електричними і фотоелектричними характеристиками (рис. 2).

Металічні Шс нй контакти шар

И '

Металічні

контакти

/

Пасивуючий шар

Рис. 2. Застосовувані в роботі планарна (а) і меза (б) структури фотодіодів

Важливим результатом, що випливає з електричних досліджень, є те, що висота бар'єру в досліджуваних р-и-переходах (0.22-0.29 еВ) помітно перевищує ширину забороненої зони напівпровідника (-0.1 еВ). Цей факт свідчить про сильне виродження «-області діодної структури (рис. 3).

Струм , мкА

Напруга зміщення, В

Рис. 3. Вольт-амперні характеристики діодів на основі Hgo.9M1io.1Te і Hgo.88M1io.12Te при 80 К.На вставці - енергетична діаграма діодної структури

У відповідності з кейнівською моделлю рівень Фермі у випадку виродження заходить в зону провідності до енергії [1*]

(з)

де п - концентрація електронів. Для досліджуваних діодних структур значенню ЕГп = 0.15-0.22 еВ відповідає реальна концентрація електронів (І-З)хЮ18 см'3. Отже, застосована технологія приводить до утворення несиметричного п-р-переходу, в якому збіднений шар розташовується в менш легованій /^-області І^і.хМпхТе діодної структури (рис. 3).

В найбільшому за обсягом п’ятому розділі (48 стор.) представлено результати дослідження механізмів переносу заряду і фотоелектричних процесів в Г^і.хМпхТе діодних сдруктурах із врахуванням специфіки /»-«-переходу, виготовленого методом іонного травлення або іонної імплантації [6-10]. Хоч основні експериментальні дані одержані при 80 К, представлено також результати досліджень характеристик фотодіодів в інтервалі 80-200 К. Основна увага зосереджена на зразках, виготовлених на Нді.хМпхТе (х » 0.1), тобто на матеріалі, придатному для детектування випромінювання в середній інфрачервоній області спектру.

В формуванні вольт-амперної (1-У) прямої характеристики Щі.хМпхТе діода при низьких зміщеннях домінує процес рекомбінації в збідненому шарі, коли ехр(еУ/2к1). Однак при вищих напругах крива

/, мкА

V, в

Рис. 4. Прямі 1-У характеристики діодів в напівлогарифмічних координатах. Хрестиками показаний хід І(У) із врахуванням спаду напруги на об'ємній області діодної структури

І(У) трансформується в залежність І ~ ехр(еУ/кТ) (рис. 4), що вказує на переважаючу роль надбар‘єрного (дифузійного) механізму струму. Відхилення 1-У характеристики від залежності І ~ ехр(еУ/2кТ) в області

0,1 -0,2. В зумовлене особливостями рекомбінації в збідненому шарі, пов‘язаними з великою різницею ефективних мас електронів і дірок у вузькозонному Н§і_хМпхТе (х * 0.1) напівпровіднику. Згідно теорії Саа-Шоклі-Нойса найбільш ефективні генераційно-рекомбінаційні центри, розміщені не строго посередині забороненої зони, а зміщуються від неї внаслідок відмінності ефективних мас електронів і дірок те і «і, на величину А = (£Г/2)1п(Лгугпо/Л'сГро) [2*]. Для випадку досліджуваних р-п-переходів в І^і.хМпхТе (х ~ 0.1) величина А при т^іщ = 10~2 (^0=гр0) складає 0.016 еВ при 80 К, тобто є суттєвою в порівнянні з ЕгІ2 » 0.05 еВ. Врахування цього факту дозволяє пояснити спостережувані особливості рекомбінаційного струму, який розраховувався за формулою [2*]

І = Л-^=5ІпьГ\/{х)йх (4)

. ”0ТР0 У2кТЦ

де е - заряд електрона, «, - власна концентрація носіїв, IV - ширина р-п-переходу, гпо і Гро - часи життя електронів і дірок,

І, А .

К,В

Рис. 5. Залежності рекомбінаційного струму від напруги при те=шь і ;не=0.01«іь. Пунктирною лінією показана залежність, розрахована за звичайно застосовуваною формулою / = /0ехр(е У/2кТ).

/00 =

ґ * N Е -2Е. ] ґ

S 1 + cosh

2кТ \ ч

к

eV-2<p(x) 2kT

(5)

£g* = Eg -2Л/Х + kT\n(TvoNjTnoNy'), A/j - енергетична віддаль рівня Фермі від валентної зони, Е, — глибина залягання рекомбінаційного рівня, <р(х) - хід потенціалу в області просторового заряду [3*]. Проведені розрахунки показують, що при те = шь хід І{У) співпадає із звичайно застосовуваною аналітичною залежністю [4*], але при ше = 10'2шь - відхиляється від неї (рис. 5) подібно до експериментальних кривих (рис. 4).

Зворотні 1-У характеристики Hgi.xMnxTe діодів при низьких температурах в значній мірі визначаються тунелюванням в /ьи-переході, а при підвищених напругах має місце додаткове збільшення струму із-за ударної іонізації (лавинного помноження носіїв) в сильному електричному полі /7-я-переходу (рис. 6). В актуальній для практики області низьких напруг (<0,1 В) при 80 К переважає термогенерація носіїв в області просторового заряду р-я-переходу. Послаблення ролі тунельного струму пояснюється його особливостями при ІеУІ< <pQ (<ро -висота бар‘єру). Розрахунок тунельного струму за формулою [З*]

/ = А

eij2^v{<p0-eV)'nNaU2

exp

4 4m~r

ss„

Ц'2

з та'п 4<p0-ev

(6)

2лЧЩ^(2єє^0)'‘

{пі, - приведена маса електрона і дірки, є і с„ діелектричні проникливості напівпровідника і вакууму) дає завищені в порівнянні з експериментом результати. Якщо ж для тунельного струму застосовувати більш загальну формулу

/ = \{/р(Е)-иЕ)}0(Е)сіЕ, (7)

0

де/п і/р-імовірності заповнення рівня з енергією Е відповідно в п- і р-областях, а 0{Е) - імовірність тунелтования рівна

D(E) = exp

2-yJbn

Edx

(8)

(х, і х2 - класичні точки повороту), результати розрахунку при наближенні напруги до нуля сильно розходяться з формулою (6), хоч і співпадають з нею при напругах, вищих ~ 0,5 В (рис. 6).

Виявлені особливості тунелювання пояснюють також спостережувані значення і температурну зміну параметру якості, яким є добуток диференціального опору фотодіода (при V - 0) на його площу А. Незважаючи на суттєвий вплив тунелювання і ударної іонізації при низьких температурах, добуток для досліджуваних діодів визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в області просторового заряду, складаючи при 80 К 20-30 Ом-см2 і ~ 500 Ом-см2 для діодів з граничною довжиною хвилі відповідно 10-11 і 7-8 мкм. В цьому випадку виявна здатність визначається фоновим опроміненням при 300 К і кутовій апертурі 180° і виявляється рівною відповідно ~ 5хЮ10 см Гц1/2Вт~' і ~10псм-Гц1йВт_І. Отже, за виявною здатністю досліджувані фотодіоди не поступаються Щ!.хСсіхТе фотовольтаічним детекторам.

І, мкА

К в

Рис. 6. Вольт-амперні характеристика Hgo.9Mno.1Te діода при зворотному зміщенні. Квадратики - результати експерименту, штрихова і суцільна криві відповідають струмам, розрахованим відповідно за формулами (6) і (7).

Спектри фоточутливості досліджуваних діодних структур визначаються генеруванням електронно-діркових пар як в нейтральних п+- і р-областях, так і в області просторового заряду фотодіодної

структури. Внесок фотогенерації електронно-діркових пар в- кожній з цих областей знаходився із розв'язку дифузійно-дрейфових рівнянь з відповідними граничними умовами [4*] і кривих оптичного поглинання, знайденими для Н§і-хМпхТе кристалів (рис. 1). Розраховані в такий спосіб спектри фоточутливості діодів добре описують експериментальні результати (рис. 7). Основне розходження полягає в тому, що чутливість Н§].хМпхТе діодів заходить досить далеко в область енергії фотонів /гу < Е& . Причиною цього є “розмитість” краю власного поглинання в Н£і.хМпхТе кристалах, який добре апроксімуєься напівемпіричною залежністю Урбаха

з параметрами сц, і <т0 , знайденими з кривих оптичного поглинання (рис. 1). Врахування (9) призводить до адекватного описання спектрів фоточутливості досліджуваних діодних структур (рис. 7, штрихові криві).

Ц / }лх> ціпн Ґ\П

1.0 -

Hgo.eMrb.iTe

0.8

0.6

0.4 '*■

Hgo.gjMno.12Te

№

*

0.2

Ч

а

\

0

3456789 10

11 12

Я, мкм

Рис. 7. Спектри чутливості Hgo.9M1io.iTe і Н2о.88Мпо.12Те фотодіодів при 80 К: квадратики - експеримент, суцільні лінії - розраховані для міжзонних переходів, штрихові - з урахуванням розмитості краю поглинання

ВИСНОВКИ

1. Електричні характеристики ІІ§і_хМпхТе в інтервалі температур 77-300 К пояснюються в рамках моделі змішаної провідності вузькозонпого напівпровідника з урахуванням сильної відмінності рухливостей електронів і дірок. У випадку, коли коефіцієнт Холла має від’ємний знак, концентрація акцепторів звичайно переважає концентрацію донорів, що принципово важливо з точки зору створення ДІОДНИХ структур на ОСНОВІ Н£!.хМпхТе.

2. Внаслідок мікрофлуктуацій хімічного складу і дефектності монокристалів довгохвильовий край власного поглинання Н§і.хМпхТє є розмитим у порівнянні із залежністю, очікуваною з теорії. Проте, в області зміни коефіцієнта поглинання а > 200-300 см-1 його спектральна залежність описується кейнівською моделлю з урахуванням значної відмінності ефективних мас електронів і дірок. При а < 700-800 см-1 відхиленням закону дисперсії в дозволених зонах від параболічного можна знехтувати навіть для випадку вузькозонного Щі.хМпхТе.

3. В результаті анодування в розчині МН4Р на поверхні ІІ§і_хМпхТе утворюється плівка фторидів ртуті, марганцю і телуру, яка забезпечує надійний захист поверхні монокристалу і малу концентрацію поверхневих станів. Паладіювання з подальшим нанесенням хрому і золота призводить до створення низькоомних омічних контактів як до р-, так і до п- Н§,.хМпхТе.

' 4. Іонне травлення (як і іонна імплантація) р-Н§і.хМпхТе призводить до інверсії типу провідності в приповерхневому шарі кристала з великою концентрацією електронів (аж до ~ 1018 см-3). Застосування методів фотолітографії, пасивації поверхні, Аи/Сг/Р(1/ЩМпТе металізації забезпечує виготовлення багатоелементних фотодіодних матриць з необхідною топологією активних областей.

5. Перенос заряду в актуальній для практики області напруг і температур визначається генерацією-рекомбінацією носіїв заряду в збідненому ' шарі «+-/5-переходу. Струм, зумовлений дифузією неосновних носіїв, стає суттєвим тільки при значних прямих напругах зміщення. При зворотному включенні струм через діод при низьких температурах в основному визначається тунелюванням. Його залежність від прикладеної напруги і температури описується в рамках моделі із врахуванням особливостей ;?+-/>-структури і умов її застосування.

6. Співставленім результатів електричних і фотоелектричних характеристик в широкому температурному інтервалі вказує на те, що при підвищених зворотних напругах в Hgi_xMnxTe и+-/?-переході здійснюється ударна іонізація атомів кристалічної гратки і, як наслідок, -помноження носіїв заряду. Це відкриває можливість застосування внутрішнього підсилення фотоструму в досліджуваних діодішх структурах.

7. Урахування фотогенерації носіїв в збідненому шарі і нейтральних областях, а також поверхневої рекомбінації, дозволяє кількісно пояснити спектри фоточутливості досліджуваних Hgi.KMn^Te п-р переходів. Розширення фоточутливості в область hv < Ег зумовлене “розмиттям” краю власного поглинання в HgbxMnxTe кристалах.

8. Виявна здатність діодів визначається генераційно-рекомбінаційними процесами в р-и-переході і при температурах рідкого азоту обмежується фоновим опроміненням, складаючи для діодів з граничними довжинами хвиль 10-11 і 7-8 мкм відповідно ~ 5хЮ10 см*ГцшВт_1 і ~ 10й смГц,/2Вт-1 (температура фону 300 К, кутова апертура 180°). За цим параметром досліджувані діоди є конкурентно здатними по відношенню до Hg!_xCdxTe фотовольтаічних детекторів.

Список цитованої літератури

1*. Kane Е.О.. Band structure of indium antimonide // J. Phys. Chem. Solids: 1957.-V. 1,P. 249-261.

2*. Sah C., Noyce R.N., Shockley W. Carrier generation and recombination in p-n junctions and p-n junction characteristics // Proc. IRE.-1957.-V. 45, Ж7.-Р.1228-1243.

З*. Косяченко Л.А., Махній В.П., Потикевич I.B. Генерація-рекомбінація в області просторового заряду контакту метал-CdTe // Український фізичний журнал.-1978,№2.-С. 279-286.

4*. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. -2nd Edt.- New York: Wiley, 1981.- 868 p.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

1. Kosyachenko L.A., Rarenko І.M., Bodnaruk O.O., Frasunyak V.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye.F., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Characterization of Hgi_xMnxTe single crystals and Hg!.xMnxTe-based photodiodes // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics.-1999.-V. 2, №4.-P. 31-36.

2. Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Sun Weiguo, Kosyachenko L.A., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye. F.. Optical properties of HgMnTe and HgCdMnTe alloys for infrared detectors // Abstracts of Third international conference on Physical Problems in Material Science of Semiconductors. September 7-11, 1999, Chemivtsy.- P. 276.

3. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Bodnaruk O.O., Frasunyak V.M., Sklyarchuk V.M., Sklyarchuk Ye.F., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Characterization of Hgi.xMn*Te single crystals and Hgi_xMnxTe-based photodiodes. // Abstracts of International conference on Advanced Materials (Kiev, October 3-7,1999), P. 11.

4. Sun Weiguo, Kosyachenko L.A., Rarenko I.M.. Anodic fluoride on HgMnTe // J. Vac. Sci. Technol. 1997,- A15, №4.- P. 2202-2206.

5. Косяченко Л.А., Раренко I.M., Боднарук O.O., Сун Вейгуо, Лу Женг Ксіонг. Генераційно-рекомбінаційні, тунельні і лавинні процеси в HgMnTe р-и-переходах // Науковий вісник Чернівецького університету: Фізика. 1998.- Вил. 40,- С. 59-64.

6. Kosyachenko L.A., Rarenko І.М., Bodnaruk О.О., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Electrical properties of HgMnTe photodiodes // Semiconductors. 1999- V. 33,№12.-P. 1293-1296.

7. Kosyachenko L.A., Rarenko I.M., Sun Weiguo, Lu Zheng Xiong. Charge transport mechanisms in HgMnTe photodiodes with ion etched p-n junctions // Solid-State Electronics.-2000.-V.44,№7.-P. 1197-1202.

8. Косяченко Л.А., Остапов С.Э., Сун Вейгуо. Особенности генерационно-рекомбинацинных процессов в HgMnTe р-и-переходах // ФТП.-2000.-Т. 34, №6.-С. 695-697.

9. Косяченко Л.А., Сун Вейіуо. Механізми переносу заряду і фотоелектричні процеси в Hg[.xMnxTe фотодіодах // Міжвідомчий науковий збірник: Фотоелектроніка. - 2000.-Вип. 8.-С. 1-5.

10. Sun Weiguo, Lu Zengxiong, Gong Qibing, I.M. Rarenko, L.A. Kosyachenko, S.E, Ostapov. Spectral responsivity and detectivity of HgMnTe mid-infrared photodiodes // Abstracts of Fifth International Conference on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics. (Kiev, May 22-24,2000), P. 35.

Суи Вейгуо. Інфрачервоні детектори на основі ЩМпТе: фізичні і технологічні проблемн.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. Чернівецький державний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці. 2000.

Дисертація присвячена фотодіодним детекторам для області 3-14 мкм, розробленим на основі твердого розчину Н§,.хМпхТе (зс я 0,1). Електричні властивості монокристалів, які використовувались для виготовлення детекторів, інтерпретуються в рамках моделі вузькозонного напівпровідника із врахуванням значної відмінності ефективної маси електронів і дірок, а оптичні властивості. - на основі теорії Кейна для напівпровідника із сильно непараболічними енергетичними зонами. Представлено результати дослідження фотодіодів з р-и-переходами, сформованими іонним травлення і багатоелементних матриць, виготовлених із застосуванням пасивації поверхні, фотолітографії і багатошарової металізації. 3‘ясовано роль дифузії, генерації-рекомбінації, тунелювання і лавинних процесів в переносі заряду в досліджуваних діодах. Спектри фоточутливості пояснюються із врахуванням генерації носіїв в п- і /ьобластях, а також в збідненому шарі діодної структури. Доведено, що виявна здатність фотодіодів визначається генераційно-рекомбінаційними процесами.

Ключові слова: інфрачервоні детектори, твердий розчин Н§,.хМпхТе, пасивація поверхні, перенос заряду в р-и-переході, спектральна чутливість і виявна здатність фотодіода.

Сун Вейгуо. Инфракрасные детекторы на основе Н"МпТе: физические и технологические проблемы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.10 - физика

полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий государственный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2000.

В диссертации представлены результаты исследования электрических и фотоэлектрических свойств фотодиодов для спектрального диапазона 3-14 мкм, разработанных на основе твердого раствора Щ^М^Те (х « 0,1).

Электрические свойства монокристаллов, использованных для изготовления фотодиодов, объясняются в рамках модели смешанной проводимости узкозонного полупроводника с учетом сильного отличия подвижности электронов и дырок, а кривые оптического поглощения, обусловленные межзонными переходами,

- кейновской теории для непараболичной зоны проводимости с учетом сильного отличия эффективных масс носителей и "размытости" края поглощения из-за микрофлуктуаций химического состава полупроводника.

Электронно-дырочные переходы получены ионной имплантацией или ионным травлением 1^|_хМпхТе р-типа проводимости, приводящей к образованию приповерхностного слоя с высокой концентрацией электронов, т.е. к созданию несимметричного п+-р перехода. Пассивация поверхности осуществлялась анодированием в электролите на основе ГШ4Р, в результате чего образовывается слой фторидов ртути, марганца и теллура. Омические контакты к п+- и р-областям создавались многослойной Аи/Сг/Рс1/1^МпТе металлизацией. С использованием методов фотолитографии и нанесения антиотражающих покрытий изготовлены многоэлементные матрицы ^1.хМпхТе (х я 0,1) фотодиодов.

Результаты исследования электрических свойств фотодиодов показывают, что в актуальной для практики области напряжений и температур перенос заряда определяется генерацией-рекомбинацией носителей в области пространственного заряда, а диффузионный ток становится существенным только при повышенных прямых смещениях. При обратном включении диода имеет место туннелирование, описываемое в рамках существующей теории с учетом особенностей пр структуры и условий её использования. Сопоставление результатов электрических, фотоэлектрических и температурных измерений указывает на то, что при повышенных обратных напряжениях в Нц,.хМпхТе п -р переходе происходит ударная ионизация атомов кристаллической решетки и, как следствие, - лавинное умножение носителей заряда.

В диссертации показывается, что учет фотогенерации носителей в обедненной и нейтральных областях и+-р-структуры, а также поверхностной рекомбинации и “размытости” края оптического поглощения, позволяет объяснить наблюдаемые спектры фоточувствительности исследуемых структур. Их обнаружительная способность определяется генерацией-рекомбинацией в и+-р-переходе и при

температурах жидкого азота ограничена фоновым излучением, составляя для диодов с предельной длиной волны 10-11 и 7-8 мкм соответственно ~ 5хЮ10 см-Гц,/2Вт-1 и ~ 10й смТц1/2Вт~' (фоновая температура 300 К, угол обзора 180°), т.е. не уступает по этому показателю лучшим HgbxCdxTe фотовольтаическим детекторам.

Ключевые слова: инфракрасные детекторы, твердый раствор

Hg!.xMnxTe, пассивация поверхности, перенос заряда в р-л-переходе, спектральная чувствительность и обнаружительная способность фотодиода.

Sun Weiguo. HgMnTe-Based Infrared Detectors: Physical and Technological Problems. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's Sciences degree by speciality 01.04.10 -Physics of Semiconductors and Dielectrics. .- The Yuri Fedkovich State University of Chemivtsy, Chemivtsy, 2000.

The dissertation is devoted to photovoltaic detectors for the 3-14 |лп region developed using Hgi.*MnxTe (x ~ 0.1) alloy.

The electrical properties of the single crystals used for fabrication of the Hgi.xMnxTe detectors are interpreted in terms of a narrow-gap semiconductor with account made for significant difference between the electron and hole effective mass whereas their absorption properties - within the Kane theory for semiconductors with highly nonparabolic energy bands.

The photodiodes with p-n junctions formed by ion etching, and the multielement arrays fabricated using surface passivation, photolithography and multilayer metallization processes are reported. The contributions of diffusion, generation-recombination, tunneling and avalanche multiplication in charge transport in the diodes have been established. The diode responsivity spectra are inteipreted in the framework of model taking into account the generation of photocarriers in n- and /^-regions as well as in the depletion layer. The detectivities of the samples are shown to be determined by generation-recombination processes in the depletion region of the diode.

Key words: infrared detectors, Hgi_xMnxTe alloy, surface passivation, charge transport in p-n junction, photodiode responsivity and detectivity.

Підписано до друку 09.08.2000. Формат 60 х 84/16. Папір офсетний. Друк офсетний. Обл.-вид. арк. 1,2.

Ум. друк. арк. 1,1. Зам. 305. Тираж 100 прим.

Друкарня видавництва “Рута“ Чернівецького держуніверситету 58012, Чернівці, вул.Коцюбинського, 2