Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Конструкция и основные типы полупроводниковых детекторов 11
1.2. Материалы для полупроводниковых детекторов 14
1.3. Обзор методов исследования полупроводниковых кристаллов методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии 23
2. Описание методик исследования 39
2.1. Растровая электронная микроскопия 39
2.2. Просвечивающая электронная микроскопия 44
2.3. Технология получения монокристаллов CdTe. Конструкция печи. Метод Обреимова-Шубникова 45
3. Исследование полученных кристаллов CdTe 51
3.1. Образцы, выращенные в кварцевом тигле. Монотонное охлаждение 52
3.2. Образцы, выращенные в кварцевом тигле. Ступенчатое охлаждение 54
3.3. Образцы, выращенные в тигле из стеклоуглерода и нитрида бора. Ступенчатое охлаждение 57
3.4. Исследование микровключений в кристаллах CdTe 60
3.5. Определение транспортных характеристик монокристаллов CdTe 68
3.6. Получение и свойства детекторных структур, полученных на основе монокристаллов CdTe 72
4. Исследование детекторов рентгеновского и гамма излучений на основе арсенида галлия 78
4.1. Образцы с подложкой, легированной теллуром (ЭТ-379Т) 82
4.2. Образцы с подложкой, легированной углеродом (ЭТ-388) 84
4.3. Образцы с подложкой, легированной оловом (ЭТ-379) 85
4.4. Образцы с подложкой, легированной углеродом (ЭТ-380) 87
4.5. Исследование влияния приложенного смещения на размер и форму ОГО детекторной структуры (образец ЭТ-380) и эффективность сбора носителей 88
Выводы 94
- Материалы для полупроводниковых детекторов
- Просвечивающая электронная микроскопия
- Определение транспортных характеристик монокристаллов CdTe
- Образцы с подложкой, легированной углеродом (ЭТ-380)
Введение к работе
Актуальность проблемы
В последнее время проявляется значительный интерес к полупроводниковым материалам типа AUBVI и AIUBV, применяемым для изготовления детекторов рентгеновского и гамма излучений, которые используются в медицине, биологии, для неразрушающего контроля и анализа, а также в космической физике и других областях техники. К таким материалам в первую очередь относятся CdTe и GaAs. Радиационные детекторы на их основе работают при комнатной температуре, это выгодно отличает их от детекторов, работающих лишь при температуре жидкого азота. Следует отметить, что не менее важным является применение CdTe в электрооптических приборах.
Несмотря на видимое сходство (кристаллическое строение, ширина запрещенной зоны), проблема получения детекторных приборов на кристаллах GaAs и CdTe различна. За последние десятилетия были разработаны надежные методы получения однородного бездефектного монокристаллического GaAs, чего нельзя сказать о CdTe. Тем не менее, CdTe в перспективе видится более привлекательным вследствие более высоких значений атомного номера и диффузионной длины неосновных носителей заряда. Однако чисто технологические ограничения в достижении большой диффузионной длины носителей заряда и высокого сопротивления этих кристаллов затрудняют их широкое применение в качестве детекторов. К тому же монокристаллы CdTe, выращенные существующими методами, характеризуются неоднородностью микроструктуры (двойники, преципитаты, малоугловые границы и др.), а также электрических и физических свойств, что также снижает качество детекторов.
Можно выделить два основных направления решения проблемы получения детекторных кристаллов с необходимыми свойствами:
отработка режимов роста и посткристаллизационного охлаждения кристаллов с высоким структурным совершенством (особенно для CdTe);
выращивание толстых эпитаксиальных слоев высокого качества с низким содержанием примесей, дефектов структуры и высоким сопротивлением (особенно для GaAs).
Поэтому выбор в качестве исследуемых объектов полуизолирующих монокристаллов CdTe, которые получены новым, принципиально отличным методом и для которых нехарактерны классические дефекты микроструктуры, и гомоэпитаксиальных структур типа p+-n-n,-n+ на основе GaAs отвечает упомянутым основным направлениям и актуален.
Цель и основные задачи работы:
1. комплексное исследование методами растровой и просвечивающей
электронной микроскопии микроструктуры полученных методом
Обреимова-Шубникова полуизолирующих кристаллов CdTe и их
транспортных характеристик;
2. оптимизация технологии выращивания кристаллов на основе
результатов данных исследований;
изучение диффузионных р-n переходов с целью получения детекторов рентгеновского и гамма излучений на базе монокристаллов CdTe;
локальное качественное исследование внутреннего встроенного поля гомоэпитаксиальных p+-n-n'-n структур на основе GaAs для определения его характера и эффективности сбора инжектированных носителей.
Научная новизна работы заключается в том, что монокристаллы CdTe, полученные методом Обреимова-Шубникова с применением техники
самозатравления и ступенчатого посткристаллизационного охлаждения, основанного на фазовых переходах в этих кристаллах, впервые были исследованы методами катодолюминесценции (КЛ) и наведенного тока (НТ). Благодаря этим исследованиям выявлены принципиальные преимущества ступенчатого охлаждения. Были получены новые данные о совершенстве микроструктуры кристаллов CdTe нетипичные для кристаллов, выращенных из раствора. Также методом КЛ и НТ впервые исследовались гомоэпитаксиальные структуры на основе GaAs, работающие в качестве детекторов рентгеновского и гамма излучений. Проведенные исследования позволили впервые оценить характер распределения электрического поля в данном типе структур и предложить модель лавинного умножения.
Практическое значение
На основе комплексного исследования методами КЛ, НТ, просвечивающей электронной микроскопии монокристаллов CdTe, полученных в разных экспериментальных условиях, отработан режим посткристаллизационного охлаждения. Это позволило воспроизводимо получать кристаллы с улучшенными структурными, транспортными и оптическими характеристиками, что способствовало, наряду с получением полупроводниковых слитков большого диаметра, разработке промышленной технологии получения монокристаллов CdTe. Создана методика локального исследования детекторных фотовольтаических эпитаксиальных структур на основе GaAs методами НТ и К Л, выявляющая картину распределения встроенных в обедненной области полей и позволяющая повысить выход годных детекторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследований методами КЛ и НТ полуизолирующих монокристаллов CdTe, выращенных методом Обреимова-Шубникова. Полученные данные по распределению дефектов в монокристаллах CdTe, выращенных в различных условиях, способствовали усовершенствованию методики получения кристаллов теллурида кадмия с совершенной структурой и высокими стабильными электрофизическими параметрами.
Разработка измерительного стенда для исследования полупроводниковых детекторных кристаллов.
Закономерности образования дефектов, выявляемых методом КЛ. При применении ступенчатого охлаждения и управления отклонением состава от стехиометрии концентрация дефектов уменьшается на два порядка, дислокации не собираются в малоугловые границы и границы блоков, отсутствуют преципитаты.
Результаты исследования гомоэпитаксиальной структуры на основе GaAs методами НТ и КЛ. Встроенное поле занимает всю активную область n-GaAs, оно неоднородно и обладает высокой эффективностью сбора неосновных носителей заряда.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на молодёжном конкурсе научных работ ИКР АН, в 2001 году; международных и национальных конференциях: X Национальной конференции по росту кристаллов, ИКР АН, Москва, 2002 г.; XIX Российской конференции по электронной микроскопии, Черноголовка, 2002 г.; 60М Международном совещании по оценке и контролю полупроводниковых соединений и технологий (ЕХМАТЕС 2002),
Будапешт, Венгрия, 2000 г.; XIII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам, Черноголовка, 2003 г.; X Международной конференции по дефектам: поиск, отображение и физика в полупроводниках (DRIP X), Бац-сюр-Мер, Франция, 2003 г; XX Российской конференции по электронной микроскопии, Черноголовка, 2004 г.; XI Национальной конференции по росту кристаллов, Москва, 2004 г.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах:
Артёмов В.В, Каневский В.М., Иванов Ю.М. Исследование структуры кристаллов CdTe методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии // Тезисы докладов XIX Российской конференции по электронной микроскопии. Черноголовка. 2002. С. І 34.
Иванов Ю.М., Каневский В.М., Чудаков B.C., Артёмов В.В., Пашаев Э.М., Поляков А.Н. Получение беспреципитатных полуизолирующих монокристаллов CdTe оптического качества // Тезисы докладов X Национальной конференции по росту кристаллов. Москва. ИК РАН. 2002. С.79.
Ivanov Yu. М, Kanevsky V.M., Artemov V.V., Polyakov A.N., Abramets Yu. V., Pashaev E.M., Dvoryankin V.F., Kudryashov A.A., and Horvath Zs. J. Preparation of the CdTe Single Crystal Wafers for X-ray Detectors II Book of Abstracts 6th International Workshop on Expert Evaluation & Control of Compound Semiconductor Materials & Technologies. Budapest, Hungary. 2002. P.68.
Ivanov Yu. M., Kanevsky V.M.,. Dvoryankin V.F, Artemov V.V., Polyakov A.N., Kudryashov A.A., Pashaev E.M., and Horvath Zs. J. The possibilities of using semi-insulating CdTe crystals as detecting material
for X-ray imaging radiography II Phys. Stat. Sol. (c). No. 3. 2003. P. 840-844
Артёмов B.B., Каневский B.M., Иванов Ю.М. Исследование структуры кристаллов CdTe методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии // Поверхность, Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003. №3. С. 96-98.
Артёмов В.В., Иванов Ю.М., Дворянкин В.Ф., Телегин А.А. Исследование структур на основе CdTe и GaAs, используемых в качестве детекторов рентгеновского и гаммам излучений, методами сканирующей катодолюминесценции и наведенного тока // Тезисы докладов XIII Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам. Черноголовка. 2003. С. 89.
Артёмов В.В., Иванов Ю.М., Каневский В. М., Поляков А.Н. Исследование дефектов в кристаллах CdTe методом интегральной катодотолюминесценции // Тезисы докладов XX Российской конференции по электронной микроскопии. Черноголовка. 2004. С.71.
Ivanov Yu. М., Artemov V. V., Kanevsky V. М, Polyakov A. N., Chudakov V. S., Pashaev E. M. and Senin R. A. Production of structurally perfect single crystals of CdTe and CdZnTe II The European Physical Journal Applied Physics. Special Issue: DRIP X. 2004. V. 27 No. 1-3 (July-September) P. 371
Иванов Ю.М., Артёмов B.B., Каневский B.M., Поляков А.Н., Чудаков B.C., Пашаев Э.М., Сенин Р.А. Получение структурно-совершенных кристаллов CdTe. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2004. №9. С. 12-16.
10. Иванов Ю.М., Каневский В.М., Поляков А.Н., М.Д. Зенкова,
Артёмов В.В., Бычков Е.Б., Чудаков B.C., Пашаев Э.М., Акчурин
М.Ш., Асадчиков В.Е. Рост и исследование монокристаллов CdTe //
Тезисы докладов XI Национальной конференции по росту
кристаллов. Москва, ИК РАН. 2004. С. 135,
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,
заключения и списка литературы. В первой главе производится обзор
литературы, посвященный полупроводниковым детекторам
рентгеновского и гамма излучений, их свойствам и методам исследования
структур на их основе на базе электронного сканирующего и
просвечивающих микроскопов. Во второй главе описаны
экспериментальная установка на базе растрового электронного микроскопа
и методики приготовления образцов. В третьей и четвертой главах
приведены экспериментальные результаты. В заключении
сформулированы основные выводы, сделанные по работе.
Материалы для полупроводниковых детекторов
Классические детекторы рентгеновского излучения строились в основном на кристаллах Si и Ge, которые обладают следующими преимуществами [2,4]: 1. Небольшая энергия образования электронно-дырочных пар, что, как известно, ведет к хорошему разрешению по энергиям. 2. Возможность получения кристаллов практически бездефектных, дешевых Si и Ge с хорошими транспортными характеристиками. 3. Высокая плотность Ge позволяет получать миниатюрные детекторы. Однако эти материалы обладают и значительными недостатками и не в полной мере соответствуют современным требованиям (табл. 1.1): 1. У Ge величина е составляет 0,67 эВ, поэтому возникает необходимость в охлаждении кристаллов до температуры жидкого азота. 2. У Si низкое значение Z и сравнительно небольшая запрещенная зона 1,12 эВ, что ведет к ограничению по миниатюризации. Все это и вызывает в последние годы интерес к новым материалам с более высоким Z и большей шириной запрещенной зоны, таким как CdTe и GaAs. Тсллурид кадмия. Для применения теллурида кадмия в качестве детекторов рентгеновского излучения необходимы кристаллы достаточно большого размера без структурных дефектов, обладающие заданными свойствами. Известно также, что CdTe обладает физическими свойствами, значительно усложняющими получение требуемых кристаллов, по сравнению с другими полупроводниковыми соединениями (табл. 1.2) [7]: 1. Низкая теплопроводность. Вследствие того, что высвобождающееся тепло во время кристаллизации не может быть рассеяно из-за низкой теплопроводности кристаллов, возникают трудности контроля формы границы расплав/кристалл. 2. Низкая энергия образования дефектов упаковки кристаллов. Вследствие того, что энергия образования дефектов упаковки низка, легко образуются двойники из-за температурных флуктуации в процессе роста кристалла. 3. Низкое значение критической силы сдвиговой деформации. Вследствие того, что критическая сила сдвиговой деформации низка, дислокации легко генерируются из-за контакта с контейнером и термических напряжений во время роста кристалла. В настоящее время существует несколько методов выращивания монокристаллического теллурида кадмия для применения их в качестве детекторов. Ниже приведено их краткое описание и основные достоинства и недостатки. А. Метод перемещающегося нагревателя (ТНМ) Аппаратурно метод напоминает вертикальную зонную плавку.
Вариациями этого метода является метод с ускоренным вращением тигля [9], фокусированным нагревом [10,12] и сублимации с движущимся нагревателем [11]. Недостатком метода является ограничение диаметра выращиваемого кристалла 20-ю мм (в последние годы найден режим выращивания кристаллов диаметром 50 мм [12]) и низкие скорости выращивания — 4 мм/сутки вследствие использования раствора-расплава в теллуре. Достоинством метода является чистота получаемых кристаллов (отсутствие блочных границ, достигаемая благодаря низким температурам кристаллизации (700 — 900 С)) и высокое сопротивление 10s -109 Ом-см при использовании легирования расплава хлором [12]. Б. Метод Бриджмена Это метод можно отнести к наиболее ранним методам выращивания кристаллов CdTe. Исходные компоненты Cd и Те помещают в чистую кварцевую ампулу и расплавляют до температуры 1100 С, затем медленно охлаждают с одного конца при скорости несколько миллиметров в час, используя горизонтальную [13] или вертикальную системы [14,15]. Недостатки метода: высокие температуры роста, материал содержит большое число микровключений двойниковых и блочных границ, трудности получения монокристалла, вызванные изменением формы фронта кристаллизации во время роста, что приводит к образованию дополнительных зародышей, необходимость отработки условий компенсации дефектов путем легирования расплава С\ с целью получения высокого удельного сопротивления р = 108-109 Ом-см. В.Выращивание кристаллов CdTe под высоким давлением Данный метод также является модификацией метода Бриджмена. В открытый контейнер диаметром от 40 до 100 мм загружается Cd и Те в стехиометрическом соотношении. Контейнер помещается в трубу нагревателя на подвижном штоке. Вся эта система помещается в герметичный стальной корпус и заполняется Аг под давлением 150 атм. Этот метод позволяет растить кристаллы любого диаметра [16]. При использовании метода роста под давлением кристаллы имеют удельное сопротивление 1010 Ом-см. Но транспортные характеристики дырок хуже, чем при использовании ТНМ цптп=(1-2) -Ю 5 см2/В. Преимущества метода: большой объем загрузки диаметр (контейнера 10 см и более), высокая производительность, не требуется кварцевая аппаратура. Недостатки метода: блочность слитка, двойники, микродефекты в виде преципитатов Те и микротрубок. Г. Метод Обреимова-Шубникова или VGF (метод охлаждения в градиенте температур) Синтезированный поликристаллический CdTe загружают в тигель из нитрида бора или стеклоуглерода, который располагается в кварцевой ампуле. Эта кварцевая ампула имеет специальный Cd-резервуар для регулирования состава. Ампулу помещают в многозонную печь с осевым вертикальным градиентом и нагревают выше точки плавления. Температуру Cd резервуара поддерживают на уровне 785С. После кристаллизации ампулу охлаждают со скоростью 100С/час. В результате получают большие по диаметру (до 100 мм) слитки.
Плотность дислокаций 10-10 см". Кристаллы свободны от таких дефектов, как блочные границы и двойники, и имеют минимальное количество преципитатов [7,17]. В настоящей работе использовалась модификация этого метода, которая обладает тем преимуществом, что использовался не типичный для CdTe метод регулирования стехиометрии посредством «создания давления ненасыщенного пара летучего элемента»[18]. В результате отсутствия Cd-резервуара упрощается конструкция печи, получается более близкий к стехиометрии состав кристалла, в результате достигнуто почти полное отсутствие преципитатов теллура. Ниже во второй главе дано более подробное описание этой методики. В связи с тем, что одним из требований к кристаллам для полупроводниковых детекторов является достижение как можно более высокого удельного сопротивления, для CdTe применяется специальное легирование хлором, основанное на явлении самокомпенсации. Хлор обычно образует в CdTe мелкие донорные уровни и занимает в кристаллической решетке позиции атомов Те. Однако также известно, что С1 действует как акцептор, образуя с вакансиями Cd комплексы (Vcd-Cl). Эти комплексы являются причиной формирования глубокого акцепторного уровня 0,98 эВ выше потолка валентной зоны и высокого удельного сопротивления CdTe, легированного хлором [19]. Микровключения в монокристаллическом теллуридс кадмия Большинство работ по вопросам образования включений в CdTe связано с преципитатами Те, однако преципитаты Cd также обнаружены, но в гораздо меньшем числе случаев. Размеры преципитатов Те, обнаруженных в CdTe, могут изменяться от 6 нм [20] до 100 мкм [21]. Это, в первую очередь, связано с широкой областью условий выращивания и отжига кристаллов. Например, высокая скорость охлаждения кристаллов, выращенных методом Бриджмена, является причиной формирования в них большого количества преципитатов [22]. Кроме того, процесс преципитации зависит от наличия ростовых структурных дефектов, являющихся гетерогенными центрами формирования преципитатов. В частности, крупные преципитаты Те преимущественно наблюдаются на границах раздела субзерен. С помощью ИК-микроскопии показано [23], что преципитаты Те размерами в несколько микрометров имеют хорошо развитые грани, что заметно при наблюдении вдоль направления [111], и изменяют свою форму от октаэдрической к тетраэдрической при размерах больше 90 мкм. Методом рентгеновской дифракции обнаружено, что преципитаты Те в CdTe, выращенном методом Бриджмена, имеют моноклинную структуру и представляют собой элементарный Те [24]. Форма преципитатов теллура, наблюдаемых методом ИК-микроскопии [25] (гексагональная или треугольная), зависит от флуктуации температуры при росте кристалла CdTe и распределения температуры при охлаждении выращенного слитка.
Просвечивающая электронная микроскопия
Изготавливались так называемые образцы в плане. От крупных массивных кусков размером 5-10 см откалывались по плоскостям спайности образцы размером 3-5 мм и толщиной около 1 мм После этого образец утонялся с помощью абразивных алмазных паст с размером зерна от 15 мкм до 1 мкм до толщины 100 мкм. Далее образец утонялся с помощью установки GATAN Dimple Gringing, в результате на нем получалась лунка, толщина кристалла на дне которой составляла 30-40 мкм. Окончательно образец утонялся в установке ионного травления GATAN 600, при этом использовался газ аргон. На начальной стадии травления рабочий угол пушек аргона по отношению к образцу составлял около 15 с энергией 4 кВ, в заключительной 12 с энергией 2 кВ. После появления отверстия травление прекращалось. Для исследования микроструктуры монокристаллов CdTe использовался метод электронной микроскопии высокого разрешения и электронная микродифракция. Все исследования проводились на просвечивающем электронном микроскопе Philips ЕМ 430ST при ускоряющем напряжении 200 кВ. Конструкция печи. Метод Обреимова-Шубникова В настоящей работе исследовались монокристаллы CdTe (рис.2.9), выращенные в Институте кристаллографии РАН по методике профессора д.т.н. Ю.М. Иванова с применением ступенчатого охлаждения (рис.2.7). В основе принципа ступенчатого посткристаллизационного охлаждения лежит информация о трех фазовых переходах, обнаруженных в CdTe в результате дилатометрических исследований [ПО]. После кристаллизации слиток охлаждается не классически монотонно с постоянной скоростью (20 С/час), а специальным образом. В районе температур фазовых переходов (рис.2.7) кристалл быстро охлаждается (со скоростью 60-90С/час) и выдерживается в монофазной области в течение 20 часов fl 11]. Наличие фазовых переходов первого рода в кристаллах CdTe при высоких температурах приводит к генерации в кристаллах напряжений, которые в свою очередь стимулируют полигонизацию дислокаций и выход теллуровых преципитатов, что ведет к ухудшению микроструктуры. В связи с этим важно создать условия, при которых кристалл охлаждается в интервале фазовых переходов с высокой скоростью. Однако, как показано в работе [18], высокая скорость охлаждения приводит к нестабильности во времени электрических свойств (старению) кристалла. Поэтому необходимо после фазового перехода осуществить выдержку при постоянной температуре.
Исследовались кристаллы трех основных типов: Кристаллы, выращенные в кварцевом тигле, при монотонном охлаждении; Кристаллы, выращенные в кварцевом тигле, при ступенчатом охлаждении; Кристаллы, выращенные в стеклоуглеродном тигле или в тигле из нитрида бора, при ступенчатом охлаждении. Также был применен нетипичный для CdTe метод регулирования состава посредством "создания давления ненасыщенного пара летучего элемента". В этом методе регулирование состава соединения достигается за счет дополнительного внесения расчетного количества летучего компонента сверх стехиометрического соотношения, которое полностью испаряется в свободном объеме ампулы и создает необходимое парциальное давление пара над расплавом. Таким образом предотвращается переход в газовую фазу этого компонента из расплава и сохраняется заданный состав соединения. Для расчета массы кадмия, который является летучим компонентом CdTe вследствие инконгруэнтного испарения расплава, использовали уравнение Менделеева-Клайперона, считая температуру кристаллизации равной 1100 С. Для синтеза CdTe использовали Cd и Те, подвергнутые многократной вакуумной дистилляции, в результате которой достигается полупроводниковая степень чистоты. Давление пара кадмия над расплавом задавали в диапазоне от 5,0-10 до 0,3-10 Па. Синтез проводили при 1100С для CdTe, что соответствует перегреву расплава не более чем на 10С. Кристаллы первых двух типов, выращивались в однозонной горизонтальной печи, с внутренним диаметром 70 мм и длиной 70 см. Температура поддерживалась постоянной в рабочем участке 40 см длиной на уровне 1100 С. Печь включает Pt-30%Rh/Pt-6%Rh термопару с программируемым температурным регулятором «Ремиконт Р130». Исходные реагенты загружались в неграфитизированные кварцевые ампулы 50 мм в диаметре и 25-30 см в длину. Каждая ампула откачивалась до 10"4 Па, запаивалась, и помещалась в другую кварцевую ампулу, которая тоже запаивалась после откачки. Внешняя ампула защищала синтезируемый материал от окисления в случае, если внутренняя ампула растрескивалась во время охлаждения. Ампула со смесью реагентов нагревается по специальной температурной программе. Главная часть загрузки преобразуется в CdTe при температуре 700-720С. Процесс начинается при температуре 450 С при температуре плавления теллура. Быстрый нагрев смеси до температуры 800-900С может быть результатом выделения тепла реакции. Таким образом, благоразумно ограничить уровень нагрева до 10С/ч, благодаря которому в критичный температурный интервал тепло реакции не сильно разогревает компоненты синтеза. В заключительной стадии синтеза скорость нагрева может быть увеличена до 100С/ч. Во время плавки продукт выдерживается 6-10 часов в расплавленном состоянии (при 1100 С) для достижения однородности расплава и равновесия с паром. Затем он кристаллизуется при охлаждении со скоростью 3С/ч. В конце слиток массой 1,0-1,2 кг охлаждается со скоростью 60-100 С/ч для первого типа кристаллов и специальным ступенчатым образом для второго типа. Для роста монокристаллов третьего типа использовали стандартные тигли из стеклоуглерода или нитрида бора, имеющие форму усеченного конуса. Опробованы также тонкостенные тигли из пиролитического нитрида бора. Тигли снабжены стеклоуглеродными крышками с центральным отверстием 10-15 мм, через которые производится загрузка материалов.
Кристаллы третьего типа были выращены в однозонной вертикальной печи (рис.2.8), изготовленной специально для этой работы. Цилиндрические нагреватели, 140-180 мм в диаметре, 35 см в длину, навиты из жаростойкой проволоки диаметром 5 мм с шагом 10 мм. Плоские нагреватели для равномерного нагрева тигля снизу были изготовлены из той же проволоки, свернутой в спираль Архимеда с шагом 10 мм. Плоский нагреватель последовательно соединялся с цилиндрическим для обеспечения равномерной температуры в центральной и нижней зонах печи. Печь термоизолировалась слоем каолиновой ваты толщиной 90 мм. Температура в печи измерялась Pt-30%Rh/Pt-6%Rh термопарами и контролировалась программно с помощью ЭВМ с точностью ± 0,5 С. Напряжение 220 В/50 Гц подавалось на нагреватели через трансформатор. Осевой температурный градиент поддерживался в кристаллизующемся расплаве передачей тепла к ненагретому покрытию печки в диапазоне 2 — 6 С /мм в зависимости от толщины теплоизолирующего покрытия. Для роста кристаллов третьего типа в качестве исходного компонента использовались раздробленные на куски кристаллы первого и второго типа размером до 0.5 — 1 см, которые загружались в ростовую ампулу (рис. 2.8) с тиглем. Туда же добавляли металлический кадмий, массу которого рассчитывали в зависимости от свободного объема и выбранного парциального давления Cd над расплавом. Ампулу откачивали и отпаивали при р = 10 Па. Расплавленный материал выдерживали при постоянной температуре 10 — 12 ч. Степень перегрева расплава не превышала 5 — 10 С. После гомогенизации расплава и достижения равновесия между жидкой и газовой фазами осуществляли его охлаждение со скоростью 0.5 град/ч при осевом градиенте температуры около 3 град/см. Особенностью процесса является применение принципа самозатравления монокристалла. В нашем случае рост кристалла начинается на свободной поверхности расплава, поэтому осевой градиент температуры направлен в противоположную сторону. В стандартных процессах направленной кристаллизации рост кристалла начинается на стенках нижней части контейнера, микро- и макродефекты которых являются центрами зарождения кристаллитов. Дополнительные исследования методом рентгеноструктурного анализа выполнены в.н.с. Лаборатории дифрактометрии кристаллических слоев ИК РАН к.ф-м.н Э.М.
Определение транспортных характеристик монокристаллов CdTe
Как уже выше говорилось транспортные характеристики кристаллов, применяемых в качестве детекторов рентгеновского и гамма-излучений -важнейшие показатели качества этих кристаллов. Эти характеристики определяются величиной JIT. Целью настоящего исследования было установка корреляции между транспортными свойствами кристаллов, их микроструктурой, удельным сопротивлением, условиями получения. В настоящей работе использовался альтернативный метод определения этой величины, исходя из зависимости [6]: где D = kTfile - коэффициент диффузии. Таким образом, зная величину L, можно достаточно несложно вычислить цт по вышеупомянутым формулам. Для измерения диффузионный длины неосновных носителей заряда методом НТ на поверхности сколов исследуемых кристаллов методом химического осаждения наносится барьер Шоттки для низкоомных кристаллов. Для высокоомных кристаллов получение качественного стабильного барьера оказалось затруднительным, и поэтому использовались диффузионные р-n переходы. Схемы измерений представлены на рис. 3.21. В образце С-35 L=20 мкм, что говорит о неплохих транспортных характеристиках электронов, значение цт в которых составило 1,6 -10"4 см2-В . 3.6. Получение и свойства детекторных структур на основе монокристаллов CdTe Анализ данных, приведенных в табл. 3.2 и 3.3, позволяет сделать вывод, что наиболее совершенная микроструктура, высокое удельное сопротивление и значительная диффузионная длина были получены в образце С-35, выращенном методом Обреимова-Шубникова с применением ступенчатого охлаждения и легирования хлором до концентрации 5,8-1018 см"3. Это позволило выбрать данную методику для получения детекторных кристаллов. На основе этих кристаллов были изготовлены диодные структуры путем диффузионного легирования поверхностного слоя индием, работающие в качестве детекторов рентгеновского излучения размером 5x5x2 мм и 5x5x1 мм. Методом РЭМ с применением НТ (рис. 3.24) и потенциального контраста (рис.3.25) была установлена глубина залегания полученных р-п переходов. Эта величина является важным параметром, т.к. необходимо получить наиболее оптимальную глубину р-п перехода. Слишком маленькая глубина порядка нескольких десятков микрон ведет к выходу на поверхность р-п перехода диодной структуры при механической обработке детекторных кристаллов, в то же время слишком большая область п-типа тоже нежелательна из-за снижения ее сопротивления в результате легирования.
Также методом НТ, исследуя сколотые поверхности этих структур, мы вели оценку эффективности сбора заряда. В результате получены диодные структуры с глубиной залегания р-п перехода до 500 мкм и более. Данные этих исследований говорят о высокой скорости диффузии в полуизолирующем материале, подтверждая предположения о ее междоузельном характере. На рис.3.26 представлена типичная вольтамперная характеристика этой структуры. С использованием рентгеновской установки была изучена детектирующая способность детекторов в токовом режиме при облучении их рентгеновским излучением в диапазоне энергий 30-80 кэВ. Установлено, что увеличение обратного смещения повышает чувствительность детектора (рис. 3.27). Также исследовался уровень сигнала детекторов в зависимости от мощности дозы излучения (рис.3.28). Применение диодной структуры позволило этим детекторам работать также в качестве спектрометров, что показали исследования при помощи изотопов Am , Cs , Со с подачей обратных смещений 200 В и 500 В на диодную структуру (рис.3.29, 3.30). Эпитаксиальные структуры GaAs (p+-n-n-n+), которые исследовались в настоящей работе, были выращены с помощью газофазовой эпитаксии с использованием системы AsCl3+Ga+H2. В качестве подложки использовались пластины высоколегированного (до 1017 см"3) монокристаллического n-GaAs с ориентацией (100) диаметром 50 мм и толщиной 500 мкм. Эпитаксиальный слой р+ - GaAs, легированный цинком, имел толщину 2-5 мкм. Активный слой n-GaAs имел толщину 60-100 мкм и содержал два типа легирования: первый тип - компенсационная лигатура, для создания необходимого высокого сопротивления слоя, вторая - донорная с концентрацией от 101 до 10п см" для создания встроенного поля. Слой n-GaAs - буферный, толщиной 5 мкм (уровень легирования 1018 см"3), он препятствует образованию дефектов в активном слое n-GaAs. На основе данной структуры конструируется специальная детекторная система посредством фотолитографии и химического травления, состоящая из 1024 отдельных пикселей, каждый из которых детектирует ионизирующее излучение и участвует в формировании изображения. Размер пикселей может колебаться от 1 мм до 200 мкм в зависимости от требований и размеров исследуемого объекта. Важнейшими характеристиками детекторных структур является конфигурация, размер и величина встроенного поля, которое определяет дрейфовую эффективность сбора рожденных электронно-дырочных пар. В данной работе основной метод исследования профиля встроенного поля - метод НТ. В связи с тем, что глубина проникновения первичных электронов в обычном РЭМ с ускоряющем напряжением 30 кВ для арсен ида галлия не превосходит 5 мкм, в качестве исследуемых объектов были поперечные сколы пластин арсен ида галлия с нанесенными эпитаксиальными слоями (рис.4.2). Основной задачей исследования - локальное вскрытие реальной полевой структуры детекторов на основе анализа кривых НТ, установка ее корреляции с чувствительностью прибора и эффективностью сбора ионизирующего излучения. В качестве дополнительных методов исследований использовались: сканирующая интегральная КЛ, снятие вольт-фарадных характеристик.
Для оценки эффективности сбора необходимо рассчитать количество носителей, инжектируемых электронным пучком в детекторный кристалл. Для наших условий исследования (ускоряющего напряжения Еь-30 кВ и тока пучка 10= 10" А) на один первичный электрон с энергией Еь в соответствии с выражением 1.2 приходится Go=Eb(l-Y)/E;=30000(l-0J6)/4.6 5500 электронно-дырочных пар. Отсюда в секунду при токе пучка 1о=Ю" А мы имеем Go I(/e=3.26 10 электронно-дырочных пар. Таким образом, при 100 % эффективности сбора носителей заряда для наших условий величина наведенного тока должна быть порядка 5,5 -109 А. Типичные вольт-фарад ные характеристики этих структур показанны на рис.4.3. Видно, что емкость почти постоянна при прямом и обратном смещении 0,4 В, что говорит о стабильности детектора, работающего в короткозамкнутой цепи. Также можно предположить, что обедненный слой р+-п перехода распространяется на весь п - слой при нулевом обратном смещении. Однако в нашем случае распределение легирующей примеси в п области носит неизвестный неравномерный характер и поэтому точное распределение поля невозможно получить исходя из расчетов. На данных образцах выявлено значительное расхождение с ожидаемыми результатами в конфигурации детектора. Толщина активной области n-GaAs 60 мкм. В кривой наведенного тока наблюдается два пика. Причем первый, который расположен ближе к подложке, гораздо выше и интенсивнее, чем тот, который лежит в области р+-п и соответствует этому переходу. Между двумя этими пиками наблюдается область с почти нулевым током, т.е. нулевым сбором заряда. Исследования методом интегральной КЛ показало, что подложка, легированная теллуром, содержит большое количество электрически активных дефектов. Несмотря на заданный высокий уровень легирования, она обладает интенсивным сигналом, что говорит о реальном меньшем уровне легирования. Также буферный n -GaAs слой почти сливается с подложкой. На основании этих данных можно сделать предположение о возможном влиянии подложки на активную область детектора (диффузия теллура из подложки). Все эти данные подтверждают плохую работу детекторов на основе таких структур с такими подложками.
Образцы с подложкой, легированной углеродом (ЭТ-380)
Это наиболее удачная структура. Она обладает наиболее высоким уровнем сигнала в наведенном токе. КЛ-изображение в целом соответствуют заявленной структуре, толщина активного слоя n-GaAs 70 мкм. Кривая НТ лучше соответствует ожидаемому распределению поля для резкого р-n перехода. Пик кривой НТ расположен близко к слою р+, но в то же время уровень сигнала в активном слое n-GaAs остается высоким (рис.4.7). Наблюдается область размером 30-40 мкм с практически 100 % эффективностью сбора заряда (рис. 4.8.) Структура ЭТ-380, как наиболее удачная в данном случае, исследовалась на изменение формы кривой НТ в зависимости от подачи обратного смещения на структуру. Использовались напряжения 5 В, 10 В, 15 В, 17 В. Подача обратного смещения больше 17 В вызывает пробой структуры. Обнаружено постепенное «растягивание» кривой в ширину, как к подложке так и к области р+- GaAs образца, пик кривой, где наблюдается максимальный уровень сбора носителей уширяется и смещается к подложке (26 мкм при О В до 55 мкм при 17 В). Все эти данные хорошо согласуются с исследованиями по измерению эффективности сбора носителей при облучении этой структуры а-частицами различных энергий (табл. 4.2.) Обнаруживается прирост эффективности сбора носителей на 20 % по сравнению с нулевым смещением. В результате данных исследований подтверждается предположение о внутреннем усилении сигнала внутри структуры, т.е эта структура работает подобно лавинно-пролетным диодам, т.к. наблюдается сильное неоднородное поле с высокой эффективностью сбора неосновных носителей заряда. Так как поле занимает весь активный слой n-GaAs, то суммарный НТ в этой области будет определяться дрейфовыми составляющими электронного и дырочного токов, в этом случае плотность суммарного тока будет равна: Далее таким образом решая классические уравнения непрерывности, подгоняя значения Цп и тп можно из зависимости наведенного тока получить распределение поля в этом слое: где Пр и р„ — концентрации, тп и тр — время жизни, р„ и рр — подвижности, Dn и Dp - коэффициенты диффузии, Gn и Gp - функции генерации неосновных носителей заряда дырок и электронов соответственно. Однако в нашем случае величины подвижности и времени жизни ц„ и тп непостоянны в этом слое, и их зависимости носят сложный характер. Что связано как раз с сильным неоднородным встроенным полем и процессами лавинного умножения.
Таким образом, становится очень сложной задачей получить точное распределение поля, исходя из кривых НТ, что выходит за пределы данной работы и не отвечает целям, поставленным в ней, к тому же существуют методики, позволяющие непосредственно снимать распределение поля [37, 50]. 1. На базе коммерческого РЭМ Philips SEM 515 создан специальный измерительный автоматизированный комплекс для исследования полупроводниковых кристаллов методами КЛ и НТ. 2. Методом К Л исследована микроструктура монокристаллов CdTe, полученных модифицированным методом Обреимова-Шубникова. Установлены закономерности формирования дефектов при различных условиях роста: применение ступенчатого охлаждения кристаллов значительно улучшает микроструктуру (отсутствуют блочные границы, сетка дислокаций носит хаотичный характер). 3. Исследование структуры этих кристаллов методом ВРЭМ не выявило преципитатов теллура нанометрового размера, которые характерны для кристаллов CdTe, полученных другими методами. При нарушении условий роста и стехиометрии в кристаллах обнаружены преципитаты микронного размера, декорирующие двойниковые границы. 4. С помощью метода НТ определена диффузионная длина неосновных носителей заряда, исследованы барьерные и диодные структуры, применяемые в качестве детекторов. Исследована глубина залегания диффузионных р-n переходов, позволившая установить аномально большую скорость диффузии, что объясняется междоузельной диффузией в компенсированном кристалле. 5. Методами НТ и КЛ изучена электрическая активность принципиально новой р+-п-п -п+ - структуры на основе GaAs. Исследована конфигурация встроенного поля этой структуры, позволяющая ей работать без приложенного обратного смещения. Установлено, что во всех образцах поле распределено неравномерно, но занимает всю активную область п. 6. Методом НТ оценена эффективность сбора неосновных носителей заряда. Установлено, что величина обратного смещения для данной структуры не превышает 20 В. При больших значениях возникает пробой данной структуры. Подача обратного смещения приводит к увеличению области объемного заряда в 1,5 раза, что ведет к увеличению эффективности сбора. 7- На р+-п-п -п+ - структуре на основе GaAs с подложкой, легированной теллуром, выявлена причина их плохой работы — активная область n-GaAs очень неоднородна и содержит области с практически нулевым сбором заряда. Выявлено большое количество электрически активных дефектов в подложке, легированной теллуром.
Похожие диссертации на Комплексная характеризация кристаллов CdTe и GaAs для создания технологии полупроводниковых детекторов рентгеновского и гамма излучений
