Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время получают распространение альтернативные по отношению к HgCdTe варианты ИК фотоприемников на основе структур с квантово-размерными эффектами на GaAs и кремниевых диодов с барьером Шоттки в виде силицида металлов. В тоже время твердый раствор Hg] xCdxTe
(х=0.2-0.3) остается основным материалом для создания приемников излучения, включая многоэлементные матрицы, в диапазоне длин волн 3-5 и 8-14 мкм для различных систем тепловидения.
Использование методов получения объемного материала полупроводникового соединения HgCdTe не всегда позволяет получать материал с параметрами, требуемыми для создания высокочувствительных ИК-. фотоприемников. Кроме того, фотоприемники, изготовленные с использованием объемного материала, имеют высокую стоимость из-за потери значительной части выращенного материала в результате различных технологических операций. Поэтому в настоящее время важное значение приобретают эпитаксиальные методы получения HgCdTe, такие как жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ), МОС - гидритная эпитаксия, молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ).
Уникальные возможности для создания эпитаксиальных структур HgCdTe предоставляет метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Материал HgCdTe, выращенный данным методом, характеризуется высокой степенью однородности свойств в пределах достаточно больших размеров подложки, а также, что очень важно, заранее заданными профилями легирования и состава. Это позволяет создавать на его основе многоэлементные полупроводниковые детекторы излучения, обеспечивающие обработку сигнала непосредственно в фокальной области. Кроме того, технология МЛЭ является базовой для формирования структур типа сверхрешеток и квантовых ям на основе систем HgTe / CdTe, поэтому разработке и исследованию свойств Hg Cd Те (KPT),
выращенных методом МЛЭ, уделяется большое внимание.
Наиболее важным параметром фоточувствительного материала является время жизни носителей заряда в области рабочих температур фотоприемного устройства, которое определяет, в конечном счете, его фотоэлектрические и флуктуационные характеристики. Необходимо отметить, что в настоящее время имеется незначительное число работ, в которых приводятся результаты исследований механизмов рекомбинации носителей заряда в пленках HgCdTe, выращенных методом МЛЭ. Поэтому представляет интерес проведение исследований времени жизни фотоносителей в эпитаксиальном материале и анализ возможных механизмов рекомбинации в материале п- и р-типа проводимости.
Использование технологии МЛЭ позволяет получать эпитаксиальные слои толщиной порядка диффузионной длины, что является весьма важным
условием реализации высокочувствительных фотоприемников. При этом важную роль играют свойства границ раздела эпитаксиальная пленка -подложка и эпитаксиальная пленка - свободная поверхность. Для изучения свойств границ раздела представляет интерес совместное исследование спектральных характеристик фотопроводимости и времени жизни носителей заряда.
Перспективным направлением создания как новых видов фотоприемных устройств, так и совершенствование существующих фотоприемников, являются возможности метода МЛЭ по созданию эпитаксиальных структур с заранее заданными параметрами, такими как профиль ширины запрещенной зоны, концентрация примесей, толщина и т.д. Однако, применительно к узкозонным полупроводниковым соединениям, вопросы, связанные с влиянием на основные свойства фотоприемных устройств параметров выращенных варизонных эпитаксиальных слоев изучены не достаточно полно. В связи с этим представляет научный интерес проведение теоретического анализа основных свойств фотоприемников, включая анализ сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиальных структур HgCdTe, выращенных методом МЛЭ.
Целью настоящей работы является изучение рекомбинационных и фотоэлектрических свойств эпитаксиальных структур HgCdTe (х=0.2-0.3), выращенных методом МЛЭ, для создания на их основе высокочувствительных фотоприемников. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- теоретический анализ электрофизических и фотоэлектрических
параметров варизонных эпитаксиальных структур на основе HgCdTe;
исследование механизмов рекомбинации неравновесных носителей заряда (ННЗ) в эпитаксиальных структурах на основе HgCdTe п- и р-типа проводимости при возбуждении источниками излучения с различными длинами волн (Х,=0.90 мкм, А.=10.6 мкм), соответствующих поглощению в приповерхностной области и в объеме эпитаксиальной пленки соответственно;
исследование спектральных характеристик фоточувствительности эпитаксиальных структур на основе HgCdTe,
исследование влияния границ раздела пленка - подложка и пленка -свободная поверхность на рекомбинационные и спектральные характеристики эпитаксиальных структур;
исследование сигнальных и шумовых характеристик фоторезисторов, созданных на основе эпитаксиальных структур HgCdTe, выращенных методом МЛЭ, и изготовление макетов фоторезисторных приемников.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. В эпитаксиальных пленках HgCdTe, выращенных методом МЛЭ, п-
типа проводимости с х=О.20-0.23 в области температур, соответствующих
примесной проводимости время жизни носителей заряда определяется
совместным действием механизмов Оже-рекомбивации и рекомбинации на
локальных центрах. В эпитаксиальном материале р-типа проводимости с
х=0.21-0.22 в области температур, соответствующих примесной проводимости
в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается
либо Оже-рекомбинацией, либо рекомбинацией на локальных центрах с
энергией активации рекомбннационного уровня Et=Ev+0.15-0.22 мэВ,
отсчитываемой от потолка валентной зоны.
2. Особенности спектральных характеристик фотопроводимости
эпитаксиальных пленок HgCdTe, выращенных МЛЭ, проявляющихся в
плавной длинноволновой границе фоточувствительности, в сдвиге граничной
длины волны при послойном стравливании, в отсутствии заметного спада
кривой спектральной характеристики в области коротких длин волн
определяются наличием буферных широкозонных слоев на границах раздела
эпитаксиальная пленка-подложка и эпитаксиальная пленка - свободная
поверхность и варизонностью узкозонной части эпитаксиальных структур.
3. Наличие двух составляющих (быстрой и медленной) в кинетике
сигнала фотопроводимости в эпитаксиальных пленках связывается с
различием в механизмах рекомбинации. Быстрая составляющая определяется
объемными механизмами рекомбинации НТО, а причиной появления
медленной составляющей, проявляющейся при низких температурах, при
поглощении излучения вблизи границы раздела эпитаксиальная пленка-
подложка является существование в материале п-типа проводимости
рекомбинационных центров с резкой асимметрией величин поперечных
сечений захвата для электронов и дырок, а в материале р-типа - центров
захвата.
Достоверность полученных результатов определяются тем, что все экспериментальные данные получены с использованием апробированных методик измерения на большом числе образцов. Полученные в работе данные о фотоэлектрических и рекомбинационных свойствах эпитаксиальных структур на основе HgCdTe согласуются с известными результатами измерений. Результаты работы не противоречат современным представлениям о физических процессах в эпитаксиальных структурах на основе узкозонных полупроводников.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Определены механизмы рекомбинации в эпитаксиальных структурах HgCdTe, выращенных методом МЛЭ п- и р-типа проводимости в интервале температур 77-300 К. Показано, что эгагтаксиальных пленках п-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной
проводимости, время жизни носителей заряда определяется совместным действием механизмов Оже-рекомбинации и рекомбинации на локальных, цешрах. В зівдтаксиальном материале р-типа проводимости в области температур, соответствующих примесной проводимости в зависимости от дефектной структуры образцов время жизни ограничивается либо Оже-рекомбииацией, либо рекомбинацией на локальных центрах.
Выявлены особенности спектральных характеристик
фотопроводимости эпитаксиальных пленок KgCdTe с различными профилями ширины запрещенной зоны (варизонный характер объемной части эпитаксиальной структуры, наличие варизонных буферных слоев на границах раздела)
Установлеко, что удаление варизошюго буферного слоя на границе раздела эдитаксиальная пленка - свободная поверхность приводит к существенному снижению времени жизни носителей заряда из-за увеличения роли поверхностной рекомбинации.
Показано, что создание МДП-структуры с полупроводниковой подложкой, выполненной в виде п-п+ изотипного гетероперехода способствует улучшению основных, характеристик такого прибора: емкости потенциальной ямы и времени накопления в 2-4 раза.
Практическая и научная ценность работы.
1. Разработана программа расчета основных параметров
фоторезисторов, на основе эпитаксиальных структур HgCdTe, которая может
применяться при выращивании эпитаксиальных структур для определения их
оптимальных характеристик. Выработаны рекомендации по созданию
фотоприемных устройств на основе МДП-структуры с изотопным
гетеропереходом в качестве полупроводниковой подложки;
2. Экспериментальные результаты, полученные в работе, могут
использоваться для совершенствования технологических процессов
выращивания эпитаксиальных пленок HgCdTe методом МЛЭ;
-
Сведения о механизмах рекомбинации носителей заряда, особенностях спектральных характеристик необходимо учитывать при интерпретации результатов фотоэлектрических измерений;
-
Изготовлены макеты фоточувствительных фоторезисторных приемников на диапазон 2-10 мкм.
Сведения о внедрении результатов диссертации. Методики исследования фотоэлектрических, рекомбинационных и спектральных свойств эпитаксиальных структур на основе HgCdTe, выращенного методом МЛЭ использованы в учебном процессе на кафедре квантовой электроники и фотоники ТГУ при постановке лабораторных работ, о чем имеется соответствующая справка (Приложение 1)
Предложения по использованию результатов работы. Материалы первой главы, где дается обзор работ, посвященных исследованию
фотоэлектрических и рекомбинационных свойств в эпитаксиальных структур HgCdTe, целесообразно использовать в учебном процессе при чтении курсов, посвященных проблемам современной оптоэлектроники. Результаты расчета, описанные во второй главе, целесообразно использовать при отработке методик выращивания эпитаксиальных пленок для получении эпитаксиальных структур с необходимыми свойствами. Материалы третьей и четвертой главы целесообразно применять при проведении фотоэлектрических измерений для правильной интерпретации экспериментальных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научной сессии Сибирского физико-технического института (Томск-1996г.), международной конференции «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Uzhgorod-1996г.), международной конференции «BEAMS-96» (Prague-1996), международной конференции по тройным и сложным соединениям (Salford-1997), 2,4,5 симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск-1995,1997,1998 г.), 3-ей международной научно-практической конференции «Сибресурс» (Красноярск-1997).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 4 статьи и 10 тезисов докладов. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков. Список литературы включает . наименования.
