Исследование влияния градиента состава и дефектов решетки на оптические, фотоэлектрические свойства и механизмы переноса заряда в твердых растворах HgCdTe и фоточувствительных структурах на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

С<? НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ГРАДІЄНТА СКЛАДУ І ДЕФЕКТІВ ГРАТКИ НА ОПТИЧНІ, ФОТОЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА МЕХАНІЗМИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ ^СіТе І ФОТОЧУТЛИВИХ СТРУКТУРАХ НА ЇХ ОСНОВІ

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

гіг

Я

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ІВАСІВ ЗІНОВІЯ ФЕДОРІВНА

УДК 539.2; 548.571

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук

КИЇВ - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

доктор фізико-математичних наук,

професор Сизов Федір Федорович, завідувач відділенням Інституту фізики напівпровідників НАН України

доктор фізико-математичних наук,

професор Сальков Євген Андрійович,

головний науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників НАН України

доктор фізико-математичних наук,

професор кафедри напівпровідникової мікроелектроніки Берченко Микола Миколайович, Львівський державний університет “Львівська політехніка”

Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра оптики, м. Київ

Захист дисертації відбудеться 15 ёереацл 2000 р. о год. ЗО хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, Київ - 28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників за адресою 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

Автореферат розісланий & 2000 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фізико-математичних наук

Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасній фотоелектроніці значна увага приділяється інфрачервоному (14) діапазону спектра, що зумовлено потребами науки і техніки. В області 14 фотоелектроніки найбільш актуальними з точки зору прикладного використання є тверді розчини на основі сполук HgCdTe. Широке коло фундаментальних та прикладних досліджень вузькощілинних напівпровідникових твердих розчинів HgCdTe зумовлено цілою низкою їх виняткових властивостей, серед яких найбільш важливою є можливість зміни ширини забороненої зони із зміною хімічного складу, що зумовлює, в свою чергу, їх широке практичне застосування у приладах 14 фотоелектроніки.

Сучасні фотоприймачі ГЧ випромінювання переважно виготовляють з епітаксійних плівок вузькощілинних твердих розчинів Hgj^CdjTe товщиною ¿-10+20 мкм, які вирощуються різними методами на широкозонних підкладках CdTe або Cdi.yZnyTe. В останньому випадку при 1/50,03-0,04 епітаксійш шари з ха0,21-

0,22 узгоджені за постійною гратки з підкладкою. Одним з найпоширеніших методів вирощування плівок на вказаних підкладках є метод рідкофазної епітаксії (РФЕ). Внаслідок того, що ширина забороненої зони CdTe або Cdi_yZnyTe (у<0,04, £^*1,6 еВ) набагато перевищує ширину забороненої зони плівок Hg^CdxTe для фотоприймачів з червоною межею фотовідгуку Х»10 мкм (#г0,215, Egxfi,l еВ), між підкладкою та плівкою виникає шар з градієнтом ширини забороненої зони, товщина якого залежить від технологічних умов вирощування епітаксійних плівок (перш за все температури процесу РФЕ та часу), матеріалу, хімічного складу підкладки, густини дислокацій на гетеромежі та ін. Для знаходження величини градієнта складу в плівках застосовуються різні методи, як, наприклад, рентгенівський мікроаналіз та оже-спектроскопія, у результаті використання яких досліджувана плівка руйнується. Враховуючи високу вартість епітаксійних плівок HgCdTe, розробка відносно дешевих, експресних і неруйнівних методів визначення розподілу хімічного складу по товщині та встановлення спектральної області їх фоточутливості є актуальною прикладною задачею.

Характер зміни градієнта складу та пов’язаного з ним градієнта ширини забороненої зони, особливо в області />-л-переходу фотодіода, визначає в заначній мірі їх характеристики внаслідок майже експоненційної залежності величини фоточутливості від ширини забороненої зони. Значну роль в процесах переносу заряду у фотодіодах на основі HgCdTe відіграють глибокі центри у забороненій зоні, які можуть виникати як під час вирощування самих матеріалів, так і при виготовленні приладів на їх основі. Вплив глибоких центрів на процеси струмопроходження в р-п переходах фотодіодів HgCdTe остаточно не з’ясований, а на шумові характеристики фотодіодів - майже не вивчався. Вивчення

можливого взаємозв’язку між процесами струмопроходження в 14 фотодіодах та їх шумовими характеристиками є актуальною задачею з точки зору поліпшення їх порогових параметрів та оптимізації технології виготовлення. Стосовно фотодіодів на основі Н^і.хСсІхТе вказані дослідження є особливо важливими, так як на даний час вони являються основними фоточутливими елементами сучасних 14 фотоприймальних пристроїв (великоформатних фокальних матриць та лінійок) з високими троговими характеристиками для середнього (3-5 мкм) і далекого (8-12 мкм) діапазону спектра.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з планами наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України в рамках наукової теми “Оптика і спектроскопія нових матеріалів: в тому числі квантово-розмірних систем на основі атомарних напівпровідників та сполук А2В6, А3Вб, А4Вв” (номер державної реєстрації 0195и024514) та в рамках договору з ЦКБ “Арсенал” “Розробка, виготовлення та поставка багатоелементного фотоприймального пристрою (ФІШ)” (номер державної реєстрації 0197и019215, шифр “УМФ-1”). Автором виконана експериментальна ділянка роботи.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи були експериментальні дослідження і теоретичний аналіз оптичних, фотоелектричних та електрофізичних властивостей однорідних та варізонних епігаксійних плівок Н£і-хСс1хТе і діодних структур на їх основі для вивчення можливості управління характеристиками р-п переходів (довгохвильова межа фоточутливості, динамічний опір, виявна здатність і т.д.) та цілеспрямованого впливу на ці характеристики. Об’єктом дослідження були плівки Н?і.хС^Те, вирощені методом РФЕ. Предметом дослідження - вплив градієнта складу на оптичні, фотоелектричні, електрофізичні та шумові характеристики РФЕ шарів Нё^Сс^Те та фотодіодів на їх основі. Для досягнення поставленої мети вирористовувались такі комплексні експериментальні методи, як вимірювання оптичного пропускання, спектрів фотоструму, ефекту Холла, мікрорентгеноструктурний аналіз, вимірювання вольт-амперних характеристик та шумів. При цьому особливості матеріалу дисертаційної роботи визначили такі основні задачі досліджень:

-експериментальний та теоретичний аналіз спектрів оптичного пропускання в епітаксійних плівках Н§і.хСс1хТе з різним характером та величиною градієнта складу;

-розробка простого неруйнівного методу встановлення якісного і кількісного характеру просторових варіацій ширини забороненої зони, який грунтується на аналізі спектрів оптичного пропускання;

-дослідження впливу градієнта складу на спектральні залежності фотопровідності в епітаксійних плівках ї^і.хС(1хТе та спектри фотовідгуку у діодних структурах на їх основі;

-дослідження механізмів темнового струму і спектрів шуму в довгохвильових фотодіодах п+-р-типу.

з

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Показана можливість одночасного визначення величини

градієнта складу та вигляду залежності ширини забороненої зони від товщини у варізонних плівках Н^СсІТе, яка базується на експериментальних вимірах спектрів оптичного пропускання.

Мінімальне та максимальне значення Ее визначається із спектрів другої похідної оптичної густини, а залежність Е^г) - зі співставлення експериментальних та розрахованих в рамках квазікласичного наближення спектрів пропускання. Отримані результати являються основою для розробки методики неруйнівного експресного аналізу градієнта складу у варізонних епітаксійних плівках. Шляхом математичного моделювання на ЕОМ та

експериментальних досліджень встановлено, що вказана методика може бути використана для знаходження відносно невеликих значень градієнта складу (середне значення напруги внутрішнього

електричного поля, зумовленого градієнтом, Ео ^ 60 В/см).

Необхідними умовами для використання вказаної методики е наступні:

а) спектральні залежності оптичної густини та її другої похідної можуть бути розраховані в рамках квазікласичного наближення;

б) відомий локальний коефіцієнт поглинання світла.

2. Вперше експериментально досліджені спектри фотопровідності у варізонних плівках Н£і_хСс1хТе, вирощених методом РФЕ р- і л-типу провідності та спектри фотовідгуку у фотодіодах п+-р та р+-п типу на їх основі, вивчено вплив величини градієнта складу на вигляд спектра, його півширину, положення максимуму.

Встановлено, що у варізонних плівках та фотодіодах на їх основі під дією градієнта трансформується перш за все довгохвильова ділянка спектра. Зі збільшенням величини градієнта вона стає менш різкою і зміщується в сторону більш коротких хвиль. Напівширина спектрів, при цьому, зменшується, проте вони залишаються широкополосними, як і у випадку однорідних структур. Такий характер зміни спектрів у варізонних структурах зумовлений тією обставиною, що виконується умова Ьпр»й для плівок і 1П'Р»Ц)»\УР'П для фогодіодів (ЬП'Р - дифузійно-дрейфова довжина неосновних носіїв заряду, й - товщина плівки, ю,Шр п - товщина бази та ширина шару об’ємного заряду фотодіода). З цієї ж причини вигляд спектрів практично не змінюється при зміні напрямку освітлення.

Отримано розв'язки рівняння неперервності та знайдено вирази для спектральних залежностей фотоструму і квантової ефективності у фотодіодах та фоторезисторах на основі варізонних плівок Н&і_хС<1хТе. Виконано розрахунки спектрів фотоструму і проведено співставлення з експериментальними даними. Показано, що в режимі освітлення фотодіодів з широкозонної сторони збільшення градієнта приводить до зростання фотоструму і, відповідно, квантової ефективності та коефіцієнта збирання фотозбуджених носіїв, що

може знайти практичне застосування при розробці 14 фотоприймачів.

3. Вперше знайдено кореляцію між тунельним струмом через глибокі дефектні стани і І/f шумом у фотодіодах Hgi.xCdxTe (£=0,2-г0,3) л+'р-типу при важливих для практичного використання зворотніх зміщеннях І7<100 мВ.

Темновий струм у довгохвильових фотодіодах ге+-р-типу при зворотніх зміщеннях ЇІ£100 мВ зумовлений переважно процесами генерації та тунелювашія носіїв через глибокий рівень у забороненій зоні £t=0,72 Eg. При цьому існує кореляція між темновим струмом і спектральними залежностями шуму, суть якої полягає у зростанні І/f шуму при збільшенні тунельної складової струму..

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність мають майже всі результати, котрі були одержані при виконанні цієї роботи. Ряд висновків та результатів е важливими для конструювання та . вдосконалення приладів інфрачервоної фотоелектроніки. Зокрема, результати досліджень оптичних та фотоелектричних характеристик епітаксійних шарів HgCdTe, вирощених методом РФЕ представляють інтерес з метою визначення однорідних за хімічним складом ділянок епітаксійних шарів для виготовлення однакових за спектральним складом фотодіодів багатоелементних та матричних пристроїв. Вивчення механізмів струмопроходження та шумових характеристик фотодіодів е важливим для визначення, в залежності від якості фотодіодів, оптимальної напруги зміщення у лінійках фотоприймачів та пристроях зчитування інформації.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом була проведена робота, пов’язана о пошуком та узагальненням наукових публікацій по темі дисертації, зроблена структуризація дисертації. В дисертаціній роботі узагальнені результати експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. Теоретичний аналіз виконаний спільно із співавторами публікацій. В роботах, що увійшли в дисертацію авторові належить ініціатива у постановці задач, безпосередня участь у їх виконанні і отриманні результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлених у дисертації, доповідались на наступних конференціях: International Conference on “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics” (Київ, 1997), IX науково-технічна конференція “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів” (Ужгород, 1998), IV International Conference on “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Київ, 1998), Third International SchoolConference “Physical problema in material science of semiconductors” (Чернівці, 1999), “The VII International Conference of Physics and Technology of Thin Films” (Івано-Франківськ, 1999).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 4 статтях та у 5 тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Кожен з оригінальних розділів містить короткий вступ, в якому розкрита суть питання та сучасний стал проблем, розглянутих у розділі, опис методик проведених експериментальних досліджень, основних результатів і висновків.

Дисертація містить 125 сторінок машинописного тексту, включаючи 35 рисунків, 4 таблиці, а також список цитованої літератури із 123 найменувань.

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета і визначені задачі досліджень, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів. Там же ■ приведені відомості, пов’язані з апробацією результатів дисертації.

Розділ перший дисертації присвячений дослідженню градієнта складу в плівках ^^Сс^Те (*=0,2*0,3) р-типу провідності, вирощених методом рідкофазної епітаксії. На початку розділу приведений огляд літератури по даній проблемі та описана методика вимірювання оптичного пропускання.

Відомо, що в епітаксійних плівках Н&1_хСс1хТе, вирощених методом рідкофазної епітаксії, можуть виникати просторові варіації складу “х” і, як наслідок, ширини забороненої зони Еа, які пов’язані з досить великими значеннями коефіцієнта АЕе/Ахя0,019 еВ/мол.%. Як показано в [1] дослідження спектральних залежностей оптичного пропускання плівок є одним з методів, який дозволяє встановити якісний і кількісний характер просторових варіацій Е§. До його переваг належить неруйнівний характер, відносна простота, досить висока точність та швидкість виконання.

Якщо просторова варіація Е% мало змінюється на довжині хвилі світла в середовищі, для аналізу оптичних властивостей можна використати квазікласичне наближення [2]. Оскільки коефіцієнт поглинання не е в цьому випадку характеристикою всієї плівки, слід користуватися поняттям оптичної густини І). Спектральна залежність І)(/газ) визначається інтегралом

де сГ - товщина плівки, а( А а, г) - локальний коефіцієнт поглинання світла, Е^іл і Е^^ - мінімальна і максимальна ширина забороненої зони при 2=0 і г=й, відповідно. З виразу (1) слідує, що для розрахунку Б(Аа) необхідно знати значення Евтіп і Етах, а також локальний коефіцієнт поглинання а(Ьсо, Ея). Вибираючи градієнт дЕе/д% в якості підгоночного параметра, із співставления

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

(1)

розрахункових та експериментальних залежностей В(Аоа) можна встановити профіль Ее(г) в досліджуваній плівці, що і було завданням даної роботи.

Досліджувані епітаксійні плівки Н^^Сс^Те, вирощені методом РФЕ на підкладках СсІТе і СсЙпТе діаметром ~20 мм і були орієнтовані вздовж кристалографічного напряму (111). Товщина плівок складала 15*35 мкм. Плівки р - типу провідності мали концентрацію дірок (0,8-4) 1016 см-3 при температурі Т=77 К.

Розрахунки Б (Лея) були виконані за наступною методикою. Спектральний діапазон розділявся на три характерних ділянки:

здійснюється тільки за участю експоневційних хвостів густини станів (урбахівський край). На другій ділянці до вказаного механізму поглинання додаються прямі переходи для фотонів, які мають енергію й£» > Ег , а на третій поглинання здійснюється тільки за рахунок прямих переходів із зони легких і важких дірок в зону провідності. Для розрахунків В(йю) за участю прямих переходів на другій і третій ділянках використовувався апроксимаційний вираз

де аг0=1,26-10'4 см-1 - константа, яка не залежить від складу х, а

Експериментальні і розрахункові спектральні залежності пропускання при Т==300 К показані на рис.1. Розрахунки виконувалися для двох профілів Ее(г) - лінійного і експоненційного. В останньому випадку профіль апроксимувався виразом:

де сталі Е0, Ь, е визначалися для значень г=0 і г=й, при умові, що відомі Етіп і Е8тах. Для їх визначення в роботі використовувалась наступна процедура. В однорідному матеріалі друга похідна коефіцієнта поглинання має особливість при На>=Ее. Якщо коефіцієнт

експоненційних “хвостів” густини станів, то летко пересвідчитись у тому, що друга похідна в точці Ее буде змінювати знак. Внаслідок того, що в градієнтних структурах край поглинання поступово зміщується від Еепіп до Еетах, в цих точках має особливості друга

Лео^ЕгЕіткі <йа<Е1

Нт > Егта. На першій поглинання

а(Йса) = Ідля а > 800 см

800 х ехр {(їш - ) /Е0 ],

(2)

для а < 800 см

Ее(г)=Е0+Ь ■ехр( с-г),

(3)

міжзонного поглинання а~(Ьа-Ег)^г, то характер цієї особливості д2а/д(Лш)2~{Н(о-Еі у^2. Якщо ж край поглинання формується з участю

похідна оптичної густини В(Лю). Експериментальні і розрахункові залежності другої похідної оптичної густини показані на рис.2. Як видно, на кривих є два екстремуми, енергетичне положення яких ідентифікувалося із значеннями Етіп і Ейтах.

(РЩЛо)/0(йсо)2, в.о.

<хв

7 і , і І ь і Ь 1 ь і ь

" 1

Рис.2. Експериментальна (1) і теоретична (2) залежності другої похідної оптичної густини при 300 К. Експериментальні дані одержані шляхом диференціювання даних оптичного пропускання, показаних на рис.1.

Рис.1. Спектральні залежності оптичного пропускання гомозонного (крива 4) і варізонного (криві 1-3) напівпровідника при 300 К. Крива 1 -експеримент, криві 2 і 3 - теоретичний розрахунок для експовенційної і лінійної залежності Ей(г) відповідно а параметрами для експовенційної залежності Ед(г)=Ео+-Ь-ехр(г/с)'.

£0-0.158, 6=0.00441, с=1/4.66773 (2 виражена в мкм,. Ей(г) ■ в еВ).

еВ, £^*=0.268 еВ, товщина плівки - 16 мкм.

Співставляючи розрахункові та експериментальні залежності Т(Асо) можна зробити наступні висновки. При наявності градієнта ширини забороненої зони залежності Т(//а) зсуваються в короткохвильову область у порівнянні із залежностями, одержаними при його відсутності. Величина зсуву при цьому більша для лінійного профілю у порівнянні з екслоненційним. Різниця між розрахованими кривими Т(/гсо) для різних профілів Ей(г) зменшується при зменшенні величини градієнта. Як показує аналіз, проведений для зразків з різними градієнтами складу, цей зсув визначається, в основному, величиною градієнта дЕ^/дт. в приповерхневих шарах плівки і в меншій мірі поблизу межі розділу плівка-підкладка.

Використовуючи знайдені при Т=300 К залежності Ее(г) і апроксимаційний вираз для Ев(х)

__ 2 £22 ч-

Ег = -0.302 + 1.93л: - 0.8 їх2 + 0.832*3 + 5.32 х 10'4(Ч - 2х^~2552 + ТГі)’ ^4)

де Ед береться в еВ, а Т - в градусах К, були розраховані профілі складу х(й), рис.З.

І, мкм

Склад зразків визначався також незалежним методом за допомогою локального рентгенівського мікроаналіза-тора СОМЕВАХ на сколах досліджуваних зразків плівок (рис.З). В межах похибок вимірювань, дані, знайдені двома методами, співпадають.

Визначені при кімнатній температурне.3. Зміна складу по товщині епітаксійного шару: рі профілі х(<І) були суцільна лінія - теоретичний розрахунок за даними використані також оптичного пропускання, точки - дані, одержані за ^ .

допомогою рентгенівського мікроаналізатора Для розрахунків СОМЕВАХ (експериментальна похибка Дх=0.005). спектрів П(Ґгсо) при

температурі 82 К.

Розрахункові криві досить добре описують виміряні на експерименті. З цього можна зробити висновок, що.провівши описаний вище аналіз Т(/га>) при кімнатній температурі, можна прогнозувати вигляд спектральних залежностей фотовідгуку плівок Ид^СсЬ/Ге з градієнтом складу при кріогенних температурах, а також спектральні області застосування фотоприймачів на їх основі.

На початку другого розділу узагальнені існуючі на даний момент дані, пов’язані з дослідженням фотоелектричних властивостей епітаксійних плівок Н^дСс^Те з градієнтом складу і фотодіодів на їх основі. Далі приведений опис методики для вимірювання фотоелектричних характеристик.

Вилив градієнта ширини забороненої зони на спектри фотоструму досліджувався в епітаксійних шарах НдСсІТе та фотодіодах на їх основі. Профіль Ее(г) плівок визначався за допомогою вимірів спектральних залежностей пропускання при послідовному стравлюванні їх товщини у бромному травнику. Після кожного травлення вимірювались також спектральна залежність фотопровідності (рис.4). Співставлення експериментально виміряних

та розрахованих спектрів фотоструму було виконано для плівок і фотодіодів з невеликим градієнтом (Е0 < ЗО В/см). В цьому випадку залежність ширини забороненої зони від товщини може бути апроксимована лінійною функцією. За таких умов для знаходження

розподілу концентрації електро-

иръ, в.о.

НІБ по товщині було розв’язане рівняння неперервності

і1 Дп /¿„Е0Т„ сІАп

сЬг

сЬ

Ап

Ы

С(г,}їаі)

' А,

(5)

X, мкм

Рис.4. Спектр фотопровідності при 82 К вихідно! градієнтної епітакеійної плівки Н^СсіТе (1), травленої у бромному травнику протягом однієї хвилини (2) та трьох хвилин (3). Товщина плівки - 15 мкм.

(де Ап - концентрація фотогенеро-ваних носіїв, Є(г, кт) - швидкість оптичної генерації, Ьп - дифузійна довжина електронів) з граничними умовами для фотодіода

Jph{z = 0) = -qDf

дАп

дг

і для фоторезистора

. . д Ап

= 0) = —(¡Е)р

<9 Ап

= = 0), Ап-СФр^О

(6)

= -?5„Дп(г = 0),

¿А2 = ¿) = ~ФР

- Ъпкп{г = сі)

2—(І

= д5„Дп(г = (і)

де т,=дЕ0І2Ш, 5Л - швидкість поверхневої рекомбінації, \Ур - ширина шару об’ємного заряду.

Розв’язки (5) були використані для розрахунку спектральних залежностей фотоструму у фоторезисторі га фотодіоді на основі Н^і_жС(ід.Те з градієнтом складу. На рис.5 приведений приклад розрахунку (крива 1) експериментального спектра фотовідгуку (точки) фотодіода з градієнтом складу {Еятіп=0,107 еВ, Ео=30 В/см). Для порівняння показаний спектр фотодіода, виготовленого на основі однорідного матеріалу.

Ц

:рь, в.о.

Я.,»

У третьому розділі

дисертації досліджено темновий струм та 11 і шум у фотодіодах Н^.д.Ссі^Те (х=0.22) п+-р типу. Розділ починається з аналізу літературних даних по вказаній проблемі та опису відповідних експериментальних методик.

У роботі досліджувались фотодіоди зі складу багатоелементних лінійок. Фотодіоди формувалися методом іонної імплантації атомів бору з

Рис.5. Спектри фотоструму ЩСМе 100 1240 КЄ® 1 ?03ами

фотодіода п^-р типу при 82 К. * Вихідними

матеріалами служили РФЕ

плівки НЯі.д.СсІД'е р-типу провідності з концентрацією носіїв р=(1-2)1016 еж3 (Т=77 К). Вимірювання спектральної густини енергії шуму були проведені в частотному інтервалі 0,7ч-104 Гц. Експериментальні та обчислені вольт-амперні характеристики (ВАХ) досліджених фотодіодів показані на рис.6. Для того, щоб виявити кореляцію між темновим струмом та шумовими характеристиками, досліджувались фотодіоди з різним типом ВАХ. У фотодіодах з МоА=1,0 Ом-см2 на зворотних вітках ВАХ спостерігається тенденція до насичення в інтервалі зміщень С/<0,1 В (рис.6, а), що характерно для надбар’ерних

механізмів переносу заряду. У фотодіодах з більш низьким динамічним опором ВАХ набувають вигляду, характерного для так званого “м’якого пробою” (рис.6, б), що може свідчити про зростання тунельної складової струму. В загальному випадку при температурах, близьких до 77 К, темновий струм фотодіода складається з декількох складових: об'ємного дифузійного струму, генераційно-

рекомбінаційного струму в збідненій області, струму тунелювання через глибокі дефектні центри, струму міжзонного тунелювання і поверхневого струму “втрат”. При обчисленнях було взято до уваги кілька складових: об’ємний дифузійний струм, генераційний струм в збідненій області і струм тунелювання через глибокі центри. При цьому враховувалося, що переходи з валентної зони на глибокі дефектні стани у забороненій зоні відбуваються за рахунок термічного і тунельного механізмів, а з глибоких станів у зону провідності - за рахунок лише тунельного механізму. Темновий струм, зумовлений міжзонним тунелюванням, не брався до уваги, оскільки дослідження були проведені при нульовому і малих

ив цв

Рис.6. Виміряні (символи) і обчислені (суцільні ліні!) вольт-амперні характеристики фотодіодів п+-р типу при 77 К. Співпадання даних було отримано при ІУ^І.гіО13; 2-Ю14; 4Ю14 см’3 для кривих 1-3 (рис.а) відповідно і ІУ(=3,2-1015; 4,8-Ю16 см'3 для кривих 1-2 (рис.б) відповідно. Значення

£,=0,72 Ег однакове для всіх кривих, Ср=810‘7 см3/с і С„=0,01Ср, однакові для кривих 1-3 (рис.а), Ср= 1-10"7 см3/с і С„=0,01Ср однакові для кривих 1-2 (рис.б).

а б

Рис.7. Виміряні (точки) і обчислені (суцільні лінії) спектри шуму фотодіодів, характеристики яких приведені на рис.б, а і б, відповідно. Рівень дробового шуму (25,е/)1/2 при зворотному зміщенні 10 мВ становить 1.7-10'13 А/Гц'1^2 (рис.а) та 7.9210'13 А/Гц'1/2 (рис.б).

зворотніх зміщеннях (17 < 0,1 В). У відповідності з переліченими вище механізмами транспорту носіїв показано, що окисати експериментальні БАХ, показані на рис.6, вдається підгонкою одного параметра - концентрації тунельних центрів Л^. При цьому у всіх діодах енергія рівня, через який відбувається тунелювання, залишається незмінною Е1=0,72Ев.

Типові спектри шуму, виміряні при 77 К, показані на рис. 7 разом з розрахунковими кривими. Як можна бачити, кожна крива шуму складається з частотно-залежної та частотно-незалежної ділянок, які можуть бути віднесені до 1/1 шуму і генераційно-рекомбінаційного шуму, відповідно. Перехідна область між ними чітко виражена і зсувається в сторону вищих частот при збільшенні вкладу тунельної складової у загальний темновий струм.

Кореляція між 1 /і шумом і тунельним темновим струмом спостерігалася раніше при переважно високих напругах зворотного зміщення С/£200 мВ. В нашому випадку кореляція виявлена при малих зворотніх зміщеннях С/^100 мВ. Отримані результати є важливими, оскільки фотодіодн ^СсІТе в основному використовуються при нульовому та низьких зворотніх зміщеннях, зумовлених їх управлінням. Розрахунки 1 /і шуму проводилися за формулою

де струм ¿тат - струм тунелювання через глибокі центри. Для узгодження експериментальних та розрахункових даних константа а приймала значення від 10‘8 до 10'7. Тунелювання через глибокі дефектні стани в забороненій зоні можна вважати джерелом обох явищ: і темнового струму, і 1 /± шуму. Також слід відзначити, що не спостерігалася кореляція між генераційно-рекомбінаційним струмом в збідненій області і ІД шумом.

1. Дослідження оптичного пропускання дозволяють зробити кількісний та якісний аналіз градієнта ширини забороненої зони в епітаксійних плівках НдСсІТе. Спектральні залежності оптичного пропускання Т(йю)в плівках Нд^.хС(іхТе, вирощених методом РФЕ на підкладках СсІТе та СсКпТе, з градієнтом ширини забороненої зони є чутливими як до абсолютної величини градієнта, так і до вигляду залежності Ев(г) - лінійна вона, чи експоненційна. Значення Етіа та Еет.ах з достатньою точністю можуть бути визначені з аналізу другої похідної оптичної густини, при умові, що величина градієнта не дуже велика (ЛЕе— Е8пгах- Еетіп<0,2 еВ). В меншій мірі спектри оптичного пропускання чутливі до вибору локального коефіцієнта поглинання.

ВИСНОВКИ

2. Експериментальні дослідження спектральних залежностей Т(Йсо) в РФЕ Hgi-xCdxTe з градієнтом складу, проведені при кімнатній температурі дозволяють передбачити спектральну залежність фотопровідності при температурі 77 К.

3. Вимірювання спектрів фотовідгуку та фотопровідності

дозволяють виявляти досить малі градієнти складу (Л*=0,00б) у HgCdTe РФЕ шарах та діодних структурах на їх основі. Вплив градієнта складу на фотоелектричні властивості проявляється-1 у розширенні їх довгохвильової межі та зміщенні спектра у короткохвильову область. В плівках p-типу з градієнтом складу і фотодіодах п+-р типу на їх основі спостерігається широкополосной спектр, оскільки дифузійно-дрейфові дожини електронів набагато більші за товщину плівки (товщину бази і шару об’ємного заряду у фотодіодах). - ;

4. Виміряно та обчислено темновий струм у фотодіодах ' Hgi_xCdxTe (х=0,22) п+-р типу при 77 К. Знайдено, що при малих зворотних зміщеннях домінуючими механізмами транспорту носіїв є генерація в збідненій області та тунелзовання через глибокі дефектні стани. З узгодження експериментальних та розрахункових даних знайдено величини концентрації тунельних центрів (1013-1015 см~3) і їх енергії (0,72 Eg). Виміряний 1/Í шум при низьких зворотних зміщеннях може бути зумовлений тунельним темновим струмом через глибокі дефектні стани.

Цитована література

1. Ariel V., Garber V., Rosenfeld D., Bahir G. Estimation of HgCdTe band-gap variations Ъу differentiayion of the absorption coefficient// Appl. Phys. Lett.- 1995.- 66 (16).- P. 2101-2103.

2. Артеменко C.H., Шульман А.Я. Влияние плавных флуктуаций состава полуцроводникового твердого раствора на форму края собственного поглощения // Письма в ЖЭТФ.- 1974.- 19, в.З.-С.145-149.

Основні результати дисертації опубліковані у таких роботах:

1. Z.F. Ivasiv, V.V.Tetyorkin, F.F.Sizov and V.A.Petryakov. Optical Properties of Hgy ,xCdxTe/CdTe Epitaxial Films With Graded Band Gap//Proc. SPIE.- 1998.- v.3890.- P.82-86.

2. В.В.Тетьоркін, З.Ф.Івасів, Ф.Ф.Сизов. Край поглинання варізонних плівок Hg! xCdxTe, вирощених методом рідкофазної епітаксії // УФЖ.- 1999.- т.44, N9.- С.1128-1132.

3. Z.F.Ivasiv, V.Y.Tetyorkin and F.F.Sizov. Noise spectra and dark current investigations in n+-p-type Hgj.xCdjjTe (xs0.22) photodiodes// Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 1999.- v.2, N3.- P.21-25.

4. З.Ф.Івасів, Ф.Ф.Сизов, В.В.Тетьоркін. Оптичні властивості епітаксійних плівок Hgi_xCdxTe/CdTe з градієнтом ширини забороненої зони// Доповіді НАЛУ.- 1999.- N11.- С.92-96.

5. Z.F. Ivasiv, V.A.Petryaijov, F .F.Sizov, V.V.Tetyorkin. Optical and photoelectrical investigations of HgCdTe-CdTe (CdZnTeSe) heterosystems // Proc. International Conf. on Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics.-Kiev (Ukraine).- 1997,- P.177.

6. Z.F. Ivasiv and V.V.Tetyorkin. Investigation of infrared transmission in Hgi.xCdxTe/CdTe epitaxial films with graded band gap// Тези доповідей IX науково-технічної конференції “Хімія, фізика і технологія халькогенідів та халькогалогенідів”.- Ужгород.- 1998.-С.161.

7. Z.F. Ivasiv, V.V.Tetyorkin, F.F.Sizov and V.A.Petryakov. Optical and photoelectrical properties of Hgi.xCdxTe/CdTe epitaxial films with graded band gap// Proc. IV International Conf. on Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics.- Kyiv (Ukraine).-1998.- P.35.

8. Z.Ivasiv, V.Tetyorkin and F.Sizov. Noise and dark current investigations in Hg!_xCdxTe photodiodes//The 7th international conference of physics and technology of thin films.- Ivano-Frankivsk (Ukraine).-1999.- P71.

9. Z.Ivasiv, V.Tetyorkin and F.Sizov. Noise and dark current studies in Hgi-xCdxTe photodiodes// Third intern. School-conference: Physical problems in material science of semiconductors.- Chemivtsi (Ukraine).-1999.- P.278.

Анотація

Івасів З.Ф. Дослідження впливу градієнта складу і дефектів гратки на оптичні, фотоелектричні властивості та механізми переносу заряду в твердих розчинах HgCdTe і фоточутливих структурах, на їх основі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-матемагичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.-Інститут фізики напівпровідників ПАН України, Київ, 2000.

Дисертація присвячена експериментальному та теоретичному вивченню еггітаксшних плівок Hgi.xCd.jTe з градієнтом складу та діодних структур на їх основі. Показана можливість визначення величини градієнта (внутрішнього електричного поля) і вигляду залежності ширини забороненої зони від товщини плівки із вимірів оптичного пропускання. Досліджена трансформація спектрів фотоструму в ештаксійних шарах ^і_хСгіхТе та фотодіодах на їх основі, спричинена градієнтом складу. У роботі досліджено темновий струм та спектри шуму в фотодіодах, при нульовому та малих зворотніх зміщеннях II<,0,1 В. Доведено, що ІД шум корелює з тунельним струмом через глибокі дефектні стани в забороненій зоні.

Ключові слова: Н£і_з^хТе, градієнт складу, оптичне

пропускання, фотострум, 14 фотодіод, темновий струм, ІД шум.

Дввотация

Нвасив З.Ф. Исследование влияния градиента состава и дефектов решетки на оптические, фотоэлектрические свойства и механизмы переноса заряда в твердых растворах HgCdTe и фоточувствительных структурах на их основе,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию эпитаксиальных слоев Hgi_xCdxTe с градиентом состава и диодных структур на их основе. Показана возможность определения величины градиента (встроенного электрического поля) и вида зависимости ширины запрещенной зоны от толщины образца по измерениям оптического пропускания. Исследована' трансформация спектра фотогока в эпитаксиальных слоях Hgi.xCdxTe и фотодиодах на их основе, вызванная градиентом состава. В роботе исследован темновой ток и спектры шума в фотодиодах при нулевом и небольших обратных смещениях £/¿0.1 В. Доказано, что 1/f шум коррелирует с тунельным током через глубокие ловушки в запрещенной зоне.

Ключевые слова: Hgj.xCdxTe, градиент состава, оптическое пропускание, фототок, ИК фотодиод, темновой ток, 1/f шум.

Summary

Ivasiv Z.F. Investigation of an influence of a composition gradient and lattice defects on optical, photoelectrical properties and carrier transport in HgCdTe solid solutions and photosensitive structures on their basis.

Thesis for scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences on specialty 01.04.07 - Solid State Physics. Institute of Physics of Semiconductors of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The thesis is dedicated to theoretical and experimental

investigation of Hgi.xCdjTe epitaxial films with composition gradient and photodiodes on their basis.

Theoretical and experimental study of an optical transmission spectra are performed. Within the framework of semiclassical approach the analysis of spectral dependencies of an optical density and transmission is made. The values of the band gap gradient were derived from the spectra of the second derivative of the optical density. This allows one to determine exact shape of the composition profile using the fitting procedure. The data obtained from the transmission

measurements were shown to compare well with those ones determined from the independent measurements.

The photocurrent in HgCdTe photodiodes and photoresistors

prepared on epitaxial films with composition gradient is investigated.

The continuity equation is solved for the linearly graded region under

backside illumination conditions. The composition profile in the starting films was derived from the optical transmisiion measurements. The transformation of the .photocurrent spectra caused by the composition grading was experimentally observed. Experimental and calculated data are compared with the data obtained for homogeneous compounds to make conclusion on the influence of the built-in electric field on the photoelectric properties of HgCdTe infrared detectors .

The dark current and noise spectra are investigated at zero and small reverse bias voltages U<0.1 V in n^-p type Hgx_xCdxTe (x»0.22). The 1/f noise is shown to be correlated with the tunnel current through deep defect states in the gap located at energy Ea0.72Eg. above the top of the valence band. Their density and cross section were estimated from the fitting procedure and are as follows: Art>=1013-fl016 cm:3, Cp=10-7-rl0-6 cm_3/s. The preliminary analysis shows that the states in the gap can be attributed to the native defects composed from Hg vacancy and impurity atom unintentionally introduced to the crystal.

Key words: Hg^CdxTe, composition gradient, optical trasmission, infrared photodiode, dark current, 1/f noise.