Содержание к диссертации
Введение
1. Радиационные дефекты в CdxHgUxTe при облучении высокоэнергетическими частицами и ионами 15
1.1. Методы выращивания материала CdxHgi.xTe. Дефекты структуры, определяющие электрофизические свойства 16
1.2. Влияние радиационных воздействий на свойства кристаллов CdxHgi xTe 26
1.2.1. Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами кристаллов CdxHg[.xTe 27
1:2.2. Ионная имплантация в кристаллы Cd^Hgj Те 32
Выводы 47
2. Измерение электрофизических параметров, выращенного методом молекулярно-лучевои эпитаксии 50
2.1. Подготовка образцов CdxHgi xTe. Методика измерений 51
2.2. Особенности определения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHgi xTe с варизонными слоями 55
2.2.1. Основные положения физической модели 56
2.3.1. Влияние широкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHgi.KTe 66
2.3.2. Влияние узкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHg^Te 73-
2.3.3. Определение электрофизических параметров варизонных эпитаксиальных пленок CdxHgi.xTe 76
Выводы 81
3. Исследование влияния облучения электронами и у - квантами на электрофизические и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных пленок CdxHg^Te 83
3.1. Методы исследований 84
3.2. Облучение мощными импульсными пучками электронов 86
3.3. Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами 94
Выводы 102
4. Моделирование процесса радиационного дефектообразования в крт при ионной имплантации 104
4.1. Основные положения модели радиационного дефектообразования в CdxHgi xTe при ионной имплантации 105
4.2. Определение коэффициента комплексообразования РД и оценка влияния внутреннего электрического поля на миграцию первичных 109
4.3. Моделирование процесса радиационного дефектообразования при облучении объемных кристаллов CdxHgi xTe ионами аргона 114
Выводы 125
5. Динамика накопления и профили распределения электрически активных дефектов в эпитаксиальных пленках cdxhgnte, облученных ионами N2+> Ar+, В+ 126
5.1. Методики исследования, при ионной имплантации CdxHgi.xTe 127
5.2. Имплантация ионов аргона и молекулярного азота, в эпитаксиальные пленки CdxHgj.xTe 129
5.3. Имплантация ионов бора в варизонные эпитаксиальные пленки CdxHgt xTe 141
5.3.1. Интегральные электрофизические характеристики 143
5.3.2. Профили пространственного распределения электрофизических характеристик 150
5.4. Анализ процессов радиационного дефектообразования в варизонных
эпитаксиальных пленках CdxHgt.xTe при ионной имплантации 165
Выводы 187
Заключение 190
Литература
- Влияние радиационных воздействий на свойства кристаллов CdxHgi xTe
- Влияние широкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHgi.KTe
- Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами
- Определение коэффициента комплексообразования РД и оценка влияния внутреннего электрического поля на миграцию первичных
Введение к работе
Разработка различного рода эффективных фотоприемных устройств (ФПУ), работающих в инфракрасной (ИК) области спектра, является одной из актуальных задач современной микро - и оптоэлектроники. В настоящее время приборы, основанные на применении фотоприемников ИК диапазона, используются для решения широкого круга задач как специального, так и гражданского назначения [1]. Они находят широкое применение в медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности, металлургии черных и цветных металлов, в топливодобывающей промышленности и в других областях народного хозяйства. В военной области ИК фотодетекторы применяется в системах ночного видения, противоракетных системах обнаружения и наведения, системах автоматического обнаружения, распознавания и уничтожения наземных целей, авиационных и космических разведывательных системах и т.д.
Полупроводниковые соединения CdxHgi_xTe (КРТ) в настоящее время являются одним из основных материалов для создания собственных ИК фотоприемников на диапазон длин волн 3-5 и 8-14 мкм [2,3,4]. Данный полупроводник характеризуется широким спектральным диапазоном фоточувствительности (Г-25" мкм), сравнительно низкой концентрацией носителей заряда при рабочих температурах 77 К, высокой квантовой эффективностью в диапазоне перекрываемых длин волн. Однако наряду с достоинствами КРТ существуют большие технологические трудности в получении качественных кристаллов. Использование методов получения объемных кристаллов КРТ (Бриджмена, твердотельной рекристаллизации, Чохральского и т.п.) не всегда позволяет получать материал с параметрами, требуемыми для создания высокочувствительных ИК приемников. Кроме того, фотоприемники, изготовленные с использованием объемного материала, имеют высокую стоимость из-за потери значительной части выращенного материала в результате технологических операций. Необходимо также отметить, что основные тенденции развития современной микроэлектронной промышленности в области оптоэлектроники направлены на разработку высокоэффективных многоэлементных полупроводниковых детекторов излучения, обеспечивающих обработку сигнала непосредственно в фокальной области фотоприемного устройства [3,4,5]. При этом для создания таких фотодетекторов необходимо обеспечить изготовление образцов исходного материала достаточно большой площади и однородности [3,4, 5, 6]. Применительно к полупроводниковым узкозонным твердым растворам КРТ, наибольшее внимание в последние годы уделяется разработке технологии изготовления многоэлементных фотоприемных матриц на основе материала, выращенного эпитаксиальными методами, в том числе молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Преимуществами метода МЛЭ являются высокая однородность свойств материала по поверхности технологической шайбы и возможность выращивания эпитаксиальных структур со сложным профилем распределения состава (варизонные структуры) и легирования [4,6], необходимыми для приборного исполнения. Кроме того, данный метод позволяет выращивать материал на подложках из GaAs и Si [6], которые являются основными технологическими материалами микроэлектронной промышленности. Возможность создания фотодетекторов на подложках GaAs и Si открывает широкие перспективы для изготовления устройств, в которых фотоприемная матрица и мультиплексор интегрированы в одном кристалле.
Наряду с исследованием исходных свойств эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом МЛЭ, актуальной является задача контролируемого изменения параметров материала с целью получения заданных полупроводниковых структур. Большое внимание при этом уделяется исследованию взаимодействий ионизирующего излучения с материалом. Среди ряда проблем, возникающих в этой связи, в настоящее время наибольший практический интерес представляют следующие: а) разработка гибкой и воспроизводимой технологии управления электрофизическими и фотоэлектрическими параметрами полупроводникового материала путем контролируемого введения в него электрически активных примесей и дефектов; б) исследование природы радиационных дефектов в материале в связи с оптимизацией технологии ионной имплантации, так как внедрение ионов сопровождается интенсивной генерацией радиационных дефектов, которые в случае КРТ, полностью определяют электрофизические свойства имплантированного материала; в) исследование радиационных дефектов в полупроводниковых приборных структурах, предназначенных для работы в космическом пространстве, в ядерных энергетических установках и в военной технике, так как именно фоточувствительный полупроводниковый материал является наименее стойким к радиации элементом этих устройств.
Проведенные исследования процессов радиационного дефектообразования в объемном материале КРТ позволили разработать технологию ионной имплантации с целью получения необходимых приборных структур [7-11]. В настоящее время методом ионной имплантации создаются также высококачественные фотоприемные устройства на основе эпитаксиального материала, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии [6,12-14]. Однако исследований радиационного дефектообразования в данном материале практически не проводилось.
Для улучшения параметров создаваемых фотоприемных устройств широкое применение находят эпитаксиальные пленки с широкозонными варизонными слоями в приповерхностной области материала [6,15,16]. В связи с этим актуальным является вопрос о влиянии области переменного состава материала на процессы радиационного дефектообразования.
Необходимо отметить, что, несмотря на большой накопленный экспериментальный материал, нет однозначных моделей радиационного дефектообразования в КРТ. В связи с этим проведение исследований радиационного дефектообразования в КРТ является актуальной задачей, так как разработка модели радиационного дефектообразования позволит не только прогнозировать влияние радиационных эффектов на параметры материала, но и улучшить технологию прецизионного управления параметрами исходного материала, с целью создания заданной приборной структуры.
Целью данной работы является исследование влияния радиационных воздействий на свойства эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и изучение процессов радиационного дефектообразования при ионной имплантации.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Расчет электрофизических параметров эпитаксиальной пленки КРТ с варизонными слоями и определение влияния этих слоев на результаты экспериментальных измерений параметров эпитаксиального слоя.
2. Исследование влияния потоков ионизирующих излучений на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
3. Развитие модели радиационного дефектообразования в КРТ при ионной имплантации и уточнение ее параметров на основе экспериментальных результатов измерения пространственного распределения электрически, активных радиационных дефектов.
4. Изучение влияния внедрения ионов (ионной имплантации) на свойства эпитаксиального материала КРТ и исследование процессов радиационного дефектообразования в области переменного состава эпитаксиальной пленки.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1. Коэффициент комплексообразования а, (характеризующий динамику накопления электрически активных радиационных дефектов донорного типа в ртутной подрешетке материала при ионной имплантации CdxHgi-xTe) определяется из тангенса угла наклона tgP зависимости натурального логарифма пространственного распределения объемной концентрации электронов, измеренной в области материала, заглубленной по сравнению с районом генерации первичных радиационных дефектов, и областью наибольшего разупорядочивания кристаллической решетки материала, как Oi=Dr(tgp)2, где D4 - коэффициент диффузии междоузелъных атомов ртути.
2. При имплантации ионов бора в варизонные эпитаксиальные пленки CdxHgi.xTe скорость введения электрически активных радиационных дефектов dNs/dO в диапазоне доз облучения Ф 1014 см"2 экспоненциально убывает с увеличением состава материала х в области среднего проецированного пробега Rp ионов бора. Замедление динамики накопления электрически активных радиационных дефектов обуславливает наблюдаемые отличия результатов ионной имплантации в варизонные эпитаксиальные пленки с переменным составом в области внедрения имплантанта по отношению к объемному материалу CdxHgi.xTe постоянного состава.
3. При ионной имплантации эпитаксиальных пленок CdxHgi.xTe с приповерхностным варизонным слоем влиянием градиента коэффициента диффузии первичных радиационных дефектов и встроенного электрического поля, образующихся вследствие наличия градиента состава эпитаксиальной пленки в области радиационного дефектообразования, на процесс миграции первичных радиационных дефектов можно пренебречь при значениях градиента состава менее 0.4-104 см 1.
4. Облучение варизонных эпитаксиальных пленок CdxHgi_xTe, выращенных методом МЛЭ, при температуре 300 К электронами в диапазоне энергий 400 кэВ-2 МэВ и у-квантами с энергией 1.25 МэВ интегральными потоками вплоть до 5-Ю см" и 1.7-10 см", соответственно, не приводит к образованию электрически активных дефектов и центров рекомбинации неосновных носителей заряда в различимых концентрациях.
Научная новизна и ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Впервые проведено исследование влияния потоков электронов, у-квантов, ионов на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, и сравнение полученных результатов с данными по облучению кристаллов КРТ, выращенных объемными методами. Показано, что механизмы образования электрически активных РД и процесс их эволюции протекают сходным образом, как в эпитаксиальных пленках, так и в объемном материале КРТ.
2. Впервые получены профили распределения электрически активных радиационных дефектов в эпитаксиальных пленках МЛЭ КРТ, с различным распределением состава в области внедрения имплантируемых ионов. Проведено сравнение результатов ионной имплантации в объемный материал КРТ и в эпитаксиальные пленки, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Выявлены основные факторы, определяющие различие в результатах имплантации ионов бора в объемный материал КРТ и эпитаксиальные пленки с переменным составом материала в области внедрения имплантанта. Получено дополнительное экспериментальное подтверждение предположения того, что основными радиационными дефектами определяющими свойства облученного КРТ, являются дефекты в ртутной подрешетке материала.
3. Развита модель радиационного дефектообразования в КРТ при ионной имплантации. Показано, что анализ полученных экспериментальных результатов измерения пространственного распределения электрически активных радиационных дефектов, позволяет оценить параметры модели радиационного дефектообразования в КРТ, таким образом, что результаты расчета не только качественно, но и количественно согласуются с экспериментальными данными.
Достоверность научных положений и выводов по работе определяется корректностью методики электрофизических измерений и согласованностью экспериментальных данных с расчетными. Полученные в работе данные не противоречат известным результатам по исследованию процессов радиационного дефектообразования в КРТ. Результаты работы согласуются с результатами работ отечественных и зарубежных авторов. Практическая ценность работы определяется следующими результатами:
1. Предложен метод расчета электрофизических параметров эпитаксиальных варизонных структур КРТ.
2. Показано, что исследуемые эпитаксиальные пленки КРТ, выращенных методом МЛЭ, обладают высокой радиационной стойкостью к внешним воздействиям (у-кванты, высокоэнергетические электроны) при температуре 300 К в пределах применяемых потоков облучения.
3. Предложен способ оценки параметров теоретической модели радиационного дефектообразования в КРТ, позволяющий получить не только качественное, но количественное согласие результатов теоретического расчета и экспериментальных данных.
4. Полученные результаты исследований влияния облучения ионов бора на электрофизические параметры эпитаксиальных пленок КРТ могут быть использованы для оптимизации режимов ионной имплантации в эпитаксиальный материал с широкозонными варизонными слоями в приповерхностной области при изготовлении диодных структур. Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР и хоздоговорных тем:
1. "Исследование физических свойств и разработка методов контроля структур неоднородных полупроводниковых сред и материалов, магнитодиэлектриков и структур на их основе с целью создания функциональных материалов для радиоэлектроники" (шифр "Корсар"), гос. per. № 01.200.202367,2001-2005.
2. "Радиационно-индуцированная диффузия примесей и дефектов при модификации полупроводниковых соединений мощными импульсными пучками ионов", НТП "Университеты России", проект №3962,1998-2000.
3. "Радиационно-индуцированная диффузия и сегрегация примесей и дефектов при модификации свойств полупроводниковых соединений мощными импульсными пучками ионов", НТП "Университеты России фундаментальные исследования", учетный № 015.06.01.11,2001-2002. 4. Joint project grant No 14123 The Royal Society of London (UK) "Semiconductor modification and implantation using high power pulsed beams", 2002-2004, Loughborough University, Leicestershire.
5. Грант Международного Совета по исследованиям с финансовым обеспечением Carnegie Corporation (IREX), проект "Разработка методик и аппаратуры для исследования МДП-структур на основе варизонного гетероэпитаксиального HgCdTe, созданного методом молекулярно-лучевой эпитаксии" (2004/2005).
6. "Разработка физико-технологических основ создания фоточувствительных наноструктур на базе полупроводниковых соединений А2Вб, А3В5, А4В6", проект Межгосударственной российско-украинской программы "Нанофизика и наноэлектроника", направление 4 "Наноэлектроника и нанофотоника", 2000-2002.
7. "Многослойные МЛЭ структуры CdHgTe с наноразмерными слоями и оптоэлектронные приборы на их основе" (шифр «Структура»), проект Межгосударственной российско-украинской программы "Нанофизика и наноэлектроника", направление 4 "Наноэлектроника и нанофотоника", 2004-2006.
8. "Исследование воздействия облучения на параметры ГЭС КРТ МЛЭ" (шифр "Гамма"), №09/01 от 12.03.2001, ИФПСО РАН, г. Новосибирск;
9. "Исследование механизмов рассеяния и сохраняемости в образцах кадмий-ртуть-теллур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии", (шифр "Гамма-2"), №02/02 от 28.01.2002, ИФП СО РАН г. Новосибирск. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, входящих в список ВАК, 1 статья в журнале американского общества SPIE, 7 материалов и 6 тезисов международных конференций, 5 статей в сборниках трудов школы молодых ученых. Общее число публикаций составляет 23 наименования.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка цитируемой литературы, включающего 164 наименования. Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы и основные задачи, а также выносимые на защиту научные положения, изложена структура диссертации.
Первая глава диссертации носит обзорный характер. Дается общее представление о методах выращивания и структуре исходных дефектов в объемном и эпитаксиальном материале КРТ, выращенного методом МЛЭ. Анализируются экспериментальные данные по влиянию высокоэнергетических ионизирующих излучений на свойства объемных кристаллов КРТ. Рассматривается влияние ионной имплантации на электрофизические параметры объемного материала КРТ. Обсуждаются модельные представления процессов радиационного дефектообразования при ионной имплантации. В конце главы дается постановка цели и задач исследований.
Во второй главе приводится описание подготовки образцов эпитаксиальных пленок и объемных кристаллов КРТ к экспериментальным исследованиям, а также экспериментальных методик измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок. Предложен метод, расчета электрофизических параметров эпитаксиальных пленок КРТ с варизонными слоями. Проведено исследование влияния параметров варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиального слоя постоянного состава.
В третье главе приведены экспериментальные результаты исследований влияния высокотемпературного облучения ионизирующими частицами эпитаксиальных пленок КРТ, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведено сравнение результатов воздействия ионизирующих излучений на электрофизические параметры эпитаксиального и объемного материала КРТ.
Четвертая глава посвящена проблемам моделирования процессов радиационного дефектообразования в КРТ с учетом диффузии радиационных дефектов и образования на их основе комплексов. Предложен способ оценки параметров модели из экспериментальных результатов измерения пространственного распределения электрически активных дефектов. Приводится сравнение результатов модельного расчета радиационного дефектообразования в объемном материале КРТ с экспериментальными данными по имплантации ионов аргона.
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований ионной имплантации (Ar+, N2+, В4) в эпитаксиальные пленки КРТ, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Проведен анализ дозовых и энергетических зависимостей интегральных электрофизических параметров и профилей пространственного распределения электрически активных радиационных дефектов. Установлены закономерности процесса радиационного дефектообразования в области переменного состава эпитаксиальной пленки. Проведено моделирование процессов радиационного дефектообразования в материале с переменным составом в области внедрения имплантируемых ионов и сравнение полученных результатов расчета с экспериментальными данными.
В заключении формулируются основные выводы работы.
В приложении диссертации приведено описание автоматизированного комплекса, который использовался для измерения электрофизических параметров образцов КРТ.
Влияние радиационных воздействий на свойства кристаллов CdxHgi xTe
В связи с химико-физическими особенностями КРТ достаточно трудно вырастить объемный материал с необходимыми параметрами для создания высокочувствительных фотоприемников. Материал более высокого качества можно получить с использованием эпитаксиальных методов, в частности методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Однако проблема целенаправленного изменения свойств исходного материала по-прежнему остается актуальной. В первую очередь это связано с требованиями современной микроэлектронной промышленности, которая ориентирована на планарную технологию изготовления многоэлементных фотоприемных устройств.
Термодиффузионные методы формирования приборных структур широко распространены в полупроводниковой промышленности. Однако данные методы требуют использования повышенных температур в технологическом процессе, что приводит к значительным трудностям при создании фотоприемных структур на основе КРТ, связанных с необходимостью применения дополнительных мер по сохранению стехиометрического состава материала. Радиационные методы управления свойствами узкозонных полупроводников КРТ имеют значительные преимущества перед термодиффузионными, так как они позволяют значительно снизить температурный режим технологических операций.
Необходимо также отметить, что все более интенсивное применение инфракрасной техники на искусственных спутниках Земли, как в военных, так и в гражданских целях, требует более пристального внимания к вопросам стойкости фоточувствительных элементов ИК приборов к воздействию ионизирующей радиации околоземного пространства.
Главной особенностью радиационного воздействия на кристаллы КРТ является генерация в процессе облучения стабильных радиационных дефектов (РД), которые проявляют донорные свойства. Именно эта особенность и используется для модификации свойств исходного полупроводника с целью получения материала с заданными параметрами.
По степени эффективности образования РД частицы можно расположить следующем образом: у-кванты, электроны, ионы. Интерес к исследованию воздействия облучения электронами и у-квантами обусловлен тем, что эти частицы имею большую проникающую способность. Это дает возможность создавать равномерное распределение радиационных дефектов по глубине облученного материала. При облучении ионами РД в материале образуются неравномерно, что определяет возможность создания различных неоднородных по проводимости приборных структур, типа фотодиодов.
Основные экспериментальные данные по электронному облучению кристаллов КРТ получены при облучении электронами с энергией" 1 -5 МэВ с целью исследования радиационной стойкости материала, который используется для создания фотоэлектрических приборов. При этом главное внимание уделено изучению изменения концентрации носителей заряда и их холловской подвижности при облучении.
В работах [51,52,53] сообщается, что при облучении кристаллов CdxHgbXTe n-типа проводимости электронами с энергией 5 МэВ (при 80 К), происходит введение электрически активных донорных центров [51]. Скорость введения доноров (dn/сІФ) оценена 5.7 см 1. Для образцов р-типа проводимости (состав х = 0.22 и 0.31) облучение электронами с энергией 2.5 МэВ (при 8 К) приводит к конверсии типа проводимости при дозе облучения (2 - 4)-1015 см"2. Для образцов с составом х = 0.31 скорость введения носителей заряда составляла 20-35 см"1, а для х = 0.22 - 37 см"1 [52]. Результаты проведенного изотермического отжига показали наличие двух стадий отжига: 50 - 75 К и 200 - 230 К. Причем на первой стадии отжигается наиболее значительная часть введенных РД, а вторая стадия отжига сопровождается восстановлением исходных свойств кристаллов. Полное восстановление исходных свойств кристаллов КРТ, облученных электронами при 80 К, обнаружено при отжиге с температурой 340 К, однако наибольшая часть РД отжигается в температурном интервале 150 - 225 К [53].
Исследование влияния высокотемпературного облучения (при 300 К) на свойства кристаллов CdxHgi.xTe проведено авторами работ [54-57]. Показано [54], что при облучении электронами с энергией 4.5 МэВ интегральными потоками до 5-Ю14 см"2 не наблюдается заметных изменений электрофизических параметров исследуемых образцов.
Авторы [55] провели исследование влияния облучения электронами при температуре 300 К на электрофизические параметры монокристаллов КРТ в зависимости от дозы облучения. Обнаружено, что в образцах п-типа проводимости облучение электронами приводит к монотонному росту концентрации носителей заряда вплоть до максимальных доз облучения. Скорость введения носителей заряда dn/сіФ при этом, составляла (1.5 - 2.0)-10-2 см"1. При облучении образцов р-типа проводимости наблюдалась конверсия типа проводимости. Область р-n конверсии определялась исходной концентрацией дырок. Для образцов с концентрацией р = 6-Ю16 см"3 конверсия типа проводимости наблюдалась при дозах облучения более 6-10 см . Величина скорости удаления носителей заряда dp/dO лежала в диапазоне (0.8- 2)-10-1 см"1. После перехода образов из р-типа проводимости в п-тип происходило резкое уменьшение скорости введения носителей заряда, величина которой совпадала со значениями для образцов, имеющих исходный п-тип проводимости.
Влияние широкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHgi.KTe
С увеличением молярного содержания CdTe в CdxHgi_xTe собственная концентрация носителей заряда в КРТ уменьшается (рис. 2.26). С учетом предположения, что степень ионизации донорных (акцепторных) центров Nd+(Na ) в варизонном слое не изменяется, концентрация носителей заряда в широкозонной области полностью определяется величиной Nd+(Na ), так как собственная концентрация носителей заряда в этом случае будет много меньше примесной.
Так как подвижность дырок не зависит от состава, то в случае материала р-типа проводимости широкозонный варизонный слой (ШВС) не должен оказывать влияния на результаты измерения концентрации и подвижности дырок, тогда как для материала n-типа проводимости необходимо учесть зависимость подвижности электронов от состава материала.
Расчет значений относительного различия электрофизических параметров Errn и Еггц для эпитаксиальной пленки КРТ n-типа проводимости представлен на рисунках 2.5-2.8 (кривые 1). При увеличении толщины ШВС (рис. 2.5) относительное различие возрастает, однако значения Errn и Егги не превышают 15% при величине de/d = 0.5, а при значении dB/d = 0.1, которое характеризует реально выращиваемые эпитаксиальные структуры, относительное различие концентрации и подвижности электронов не превышает 3%.
На рисунке 2.6 представлен расчет Errn и Еггц в зависимости от концентрации ионизированных донорных центров N/. Видно, что в широком диапазоне значений N/ относительное различие подвижности электронов не превышает 2%, а концентрации 3 %. При чем даже для собственного материала (ПІ«1014 см"3), т.е. когда величина Nd+ меньше собственной концентрации носителей заряда, относительное различие не превышает 6%.
Зависимости Еггп и Еггц от Хтах в ШВС эпитаксиальной пленки представлены на рисунке 2.7. С ростом молярного содержания CdTe относительное различие концентраций носителей заряда увеличивается, но не превышает 5% для значения х = 0.6, а величина Егг не превышает 2%. Необходимо отметить, что величины Еггп и Еггц не зависят от магнитного поля вплоть до значения 2 Тл (рис. 2.8).
Таким образом, проведенный расчет электрофизических параметров двухслойной эпитаксиальной структуры КРТ при наличии ШВС в приближении полной ионизации донорных (акцепторных) центров и доминирующего влияния рассеяния носителей заряда на оптических полярных фононах и ионизированных примесях показал, что в случае материала р-типа проводимости влиянием ШВС можно пренебречь, а для материала п-типа измеряемые в эксперименте эффективные значения концентрации и подвижности электронов меньше значений, характеризующих основной "рабочий" слой. При этом основной вклад в относительное различие электрофизических параметров вносит толщина ШВС. При величине dfi/d = 0.1, которое является типичным значением для реально выращиваемых эпитаксиальных структур, относительное различие концентрации носителей заряда не превышает 6%, а подвижности - 3%. Если учесть, что при экспериментальном определении электрофизических параметров точность измерений составляет 10-15%, то влиянием ШВС на результаты экспериментального определения концентрации и подвижности носителей заряда можно пренебречь.
Влияние узкозонного варизонного слоя на результаты измерения электрофизических параметров эпитаксиальных пленок CdxHgi_xTe
В узкозонном варизонном слое (УВС) ширина запрещенной зоны уменьшается, что приводит к значительному увеличению собственной концентрации носителей заряда и возрастанию вклада проводимости этого слоя в проводимость всего образца. Возрастание проводимости варизонного слоя приведет к перераспределению протекающего электрического тока по глубине измеряемой полупроводниковой эпитаксиальной структуры. При этом экспериментально определяемые значения концентрации и подвижности носителей заряда будут иметь некоторые эффективные значения, в общем случае, значительно отличающиеся от значений электрофизических параметров в основном "рабочем" слое постоянного состава.
На рисунках 2.5 - 2.8 представлены результаты расчета величин Errn и Err,, для материала n-типа проводимости (кривые 2) и р-типа проводимости (кривые 3).
В случае материала n-типа проводимости наличие УВС" приводит к увеличению величины эффективной концентрации электронов (2.6) за счет возрастания собственной концентрации носителей заряда ПІ, а также их подвижности (Рис. 2.4). Причем увеличение толщины варизонного слоя (рис. 2.5) и значения хтщ (рис. 2.7) в УВС значительно увеличивают относительное различие концентрации и подвижности электронов. Это обусловлено тем, что в этом случае вклад проводимости варизонного слоя в проводимость всей эпитаксиальной структуры становится существенным. Как можно видеть из рисунка 2.6, увеличение концентрации ионизированных доноров приводит к уменьшению величины Еггп и Err
Облучение высокоэнергетическими электронами и у-квантами
Облучение эпитаксиальных пленок и объемных монокристаллов КРТ высокоэнергетическими электронами проводилось при температуре 300 К на импульсном линейном ускорителе ЭЛУ - 4 в НИИ ИН при ТПУ. Энергия электронов составляла 1 -2МэВ, длительность импульсов 4 мкс при частоте повторения 0.25 кГц. Средняя плотность тока электронов при облучении не превышала 1 мкА-см" . Облучение проводилось в диапазоне потоков электронов от 1015 до 5-Ю15 см 2.
Исследование воздействия у-квантов проводилось на стандартном источнике Со60-УКП-25000 (Е 1.25 МэВ, Ф = 105-107Р) в НИИ ПИ г.Томска. Интенсивность облучения гамма - квантами пересчитывалась из соотношения: d0 dt 1.7 109, с/Ф квант dt \_смг -с где численный коэффициент равен количеству квантов на 1см2 при экспозиционной дозе 1 Р [139]. Для экспериментов использовались объемные кристаллы и эпитаксиальные пленки серии О-410, 0-299 и Э-120, Э-706, Э-714, соответственно (Таблица 3.1).
Результаты измерений электрофизических и рекомбинационных параметров исходных и облученных образцов даны в таблицах 3.3 и 3.4. Как видно из таблиц при используемых в работе потоках облучения нет заметных изменений электрофизических и рекомбинационных параметров исследуемых образцов. Данный вывод подтверждается также анализом зависимости коэффициента Холла () от индукции магнитного поля (В) и температуры (Т) для разных потоков облучения электронов и у-квантов (рис. 3.5 - 3.10). Из рисунков видно, что для потоков облучения электронами вплоть до 5-Ю15 см"2 и у-квантами до 1,74016 см 2 определяемые значения коэффициента Холла образцов КРТ до и после облучения лежат в интервале ошибки измерения.
Концентрация п(р) и подвижность яп(Цр) основных носителей заряда и время жизни т ННЗ в образцах КРТ до и после облучения высокоэнергетическими электронами (параметры облучения: Е=1-2МэВ, j 1 мкА-см" , т = 4 мкс, F = 0.25 кГц).
Кроме того, на температурных и полевых зависимостях облученных образцов не наблюдается каких либо особенностей. В частности, например, не изменилось положение точки инверсии знака полевой и температурной зависимости коэффициента Холла для образцов р-типа проводимости (Рис. 3.7, 3.8,3.10). Как показывают проведенные эксперименты поведение зависимостей RH(B) и RH(T) для эпитаксиальных пленок, полностью совпадает с поведением соответствующих зависимостей для облученных объемных кристаллов КРТ.
Так же необходимо отметить, что время жизни ННЗ после воздействия высокоэнергетических электронов и у-квантов не изменилось. Данный факт свидетельствует о том, что в процессе облучения не вводится дополнительных центров рекомбинации ННЗ в различимых концентрациях.
Полученные экспериментальные результаты влияния облучения высокоэнергетических частиц на электрофизические свойства объемного материала КРТ подобного типа получались и ранее. Так авторы [54] показали, что при облучении электронами с энергией 4.5 МэВ интегральными потоками до 5 1014см 2 не наблюдается заметных изменений электрофизических параметров исследуемых образцов обоих типов проводимости. В области доз облучения, где наблюдалось значительное изменение электрофизических параметров облученного материала, скорость введения носителей заряда составляла dn/d = (1.5-2.0)-10-2 см 1 для материала n-типа проводимости и (0.8 1.2)-10"1 см 1 для р-типа проводимости. Исследование кристаллов КРТ n-типа проводимости, облученных у-квантамиі показало, что изменения электрофизических параметров материала отсутствуют вплоть до потоков 1.7-1018см"2 [54,57,59]. Аналогичным образом ведут себя кристаллы р-типа проводимости с высокой исходной концентрацией дырок свыше 2-Ю16 см 3, для которых также не зарегистрированы изменения концентрации носителей заряда для тех же доз облучения.
Проведенные экспериментальные исследования влияния облучения высокоэнергетическими электронами (Е = 1 - 2 МэВ, до Ф = 5-Ю15 см"2) и у-квантами (Е 1.25МэВ, до Ф= 1.7-1016 см"2) на электрофизические и рекомбинационные свойства эпитаксиальных пленок и объемных кристаллов КРТ показали, что в использованных диапазонах потоков облучения не наблюдается изменения концентрации и подвижности основных носителей заряда, а также времени жизни НТО. Рассмотрение результатов облучения высокоэнергетическими электронами показывает, что скорость введения электрически активных дефектов в эпитаксиальные пленки КРТ, по крайней мере, не превышает известные из литературных данных величины dn/йФ для объемных кристаллов. Результаты измерения рекомбинационных параметров облученных эпитаксиальных пленок позволяют сделать вывод, что в процессе облучения в материал не вводятся дополнительные центры рекомбинации ННЗ в концентрациях достаточных для регистрации изменения времени жизни ННЗ.
Определение коэффициента комплексообразования РД и оценка влияния внутреннего электрического поля на миграцию первичных
При моделировании процесса радиационного дефектообразования в работах [87-90] рекомбинация на стоках не учитывалась вообще [87, 88], либо считалось, что величина тст постоянна и не зависит от глубины облученного материала [90]. Однако как показывают экспериментальные данные, с увеличением времени облучения количество структурных нарушений кристаллической решетки материала в области внедрения имплантанта возрастает [71, 72]. Тогда в этой области должно уменьшаться и время жизни TCTJ. Предположим, что тсті = k /Cci, где Сст - концентрация структурных нарушений в материале, а к . - коэффициент, определяющий скорость рекомбинации первичных РД на структурных дефектах. Строго говоря, количество структурных нарушений изменяется за счет всех типов дефектов, образующихся в кристаллической решетке CdxHgi-xTe. Однако в рассматриваемой нами модели радиационного дефектообразования принимаются во внимание только дефекты в металлической подрешетке HgTe. Поэтому предположим, что образование новых протяженных дефектов
Распределение электрически активных РД - п (экспериментальные точки 1) и рассчитанная напряженность встроенного электрического поля - Евн (непрерывная кривая 2) по глубине z ионноимплантированного слоя образца КРТ, облученного ионами Ат+ (Е = 150 кэВ, Ф = 1015 см 2) [86]. материала и увеличение размеров уже существующих происходит только за счет вакансий ртути. В этом случае систему уравнений (4.1)-(4.4) необходимо дополнить еще одним дифференциальным уравнением:
где sCT- коэффициент, определяющий скорость изменения концентрации структурных нарушений Сст. При такой модели образования структурных нарушений время жизни xCTv, которое-входит в уравнение (4.3), будет обратно пропорционально коэффициенту sCT. Необходимо отметить, что данный подход математического описания возрастания концентрации структурных нарушений согласуется с модельными представлениями, предложенными в работе [71].
Авторы [63-69], проведя анализ экспериментальных данных, предложили феменологическую модель, которая объясняет эффект насыщения электрофизических параметров. В рамках этой модели предполагается, что электрически активные дефекты донорного типа в материале образуются путем захвата междоузельных атомов ртути на структурные нарушения. При больших дозах облучения концентрация электронов в имплантированном слое достигает величины, при которой уровень Ферми с точностью до кТ совпадает с энергетическим уровнем радиационного дефекта в зоне проводимости. Свободный электрон из зоны проводимости захватывается радиационным дефектом, при этом происходит распад радиационного комплекса, и свободный атом ртути диффундирует по кристаллу до той области, где положение уровня Ферми ниже энергетического положения радиационного дефекта. При математическом описании процесса насыщения в этой модели необходимо учитывать и процесс образования комплекса РД и процесс его распада. Так как наблюдается процесс насыщения, то процессы образования и распада комплексов РД идут с одинаковой скоростью и формально можно положить, что процесс комплексообразования прекращается. В этом случае для описания процесса насыщения в рамках рассмотренной выше модели радиационного дефектообразования (4.1)-(4.4) необходимо учесть зависимость коэффициента комплексообразования а (а = 1/Тконп) от текущей концентрации электрически активных РД и концентрации, которая наблюдается в условиях насыщения.
Формально положим, что существует конечная концентрация структурных нарушений Сктах, которые являются центрами комплексообразования. Величина Сктах численно соответствует концентрации электрически активных комплексов РД в области доз облучения материала, при которых наблюдается насыщение слоевой концентрации электронов [63-69]. Тогда сделанное предположение позволяет описать процесс насыщения в рамках выше изложенной модели радиационного дефектообразования (4.1)-(4.4) путем учета зависимости коэффициента образования комплексов вторичных РД а следующим образом: (4.15) / Ck(x,t) a(x,t) = a0 1— где Ск - текущая концентрация электрически активных комплексов, Сктах -предельная концентрация центров комплексообразования, определяющая максимальную концентрацию электрически активных комплексов. Подобный формальный подход математического описания феменологической модели, предложенной в работах [63-69], позволяет описать процесс насыщения концентрации электрически активных комплексов РД, не рассматривая при этом взаимообратные процессы их образования и распада.
Система уравнений (4.1) - (4.7), (4.14) является смешанной системой дифференциальных уравнений в частных производных. Совместное решение уравнений (4.1) и (4.3) проводилось методом конечных разностей, а уравнений (4.2), (4.4) и (4.14) методом Рунге-Кутты 4-го порядка [120]. Параметры, использованные при решении системы уравнений (4.1)-(4.6) и (4.14), представлены в таблице 4.1. Величины ZQ И SZG, характеризующие функцию генерации РД G(z), определялись путем аппроксимации распределения полного количества первичных смещений атомов ртути, полученного с помощью программного комплекса SRIM2003. Значения коэффициентов диффузии первичных радиационных дефектов оценивались по данным работ [22,142].
