Введение к работе
Актуальность работы
Полупроводниковые соединения А2В6 и твердые растворы на их основе занимают особое место в современной оптоэлектронике, что связано с их уникальными свойствами Широкозонные представители этого класса материалов - CdTe (КТ) и твердые растворы CdZnTe (КЦТ) используются для создания детекторов ионизирующих излучений, а также в качестве подложечного материала при изготовлении эпитаксиалышх слоев (ЭС) узкозонных твердых растворов CdHgTe (KPT), являющихся основным материалом для производства ИК-фотоприемников, работающих в спектральных диапазонах 1,0-^-2,5 мкм, 3^-5 мкм и 8-44 мкм - так называемых «окнах прозрачности» атмосферы Новый этап в развитии КРТ - это создание высокоэффективных матричных фотоприемников Эпитаксиальные методы выращивания КРТ по сравнению с объемными дают возможность выращивать эпитаксиальные слои площадью до 30 см^ К настоящему времени наилучшие результаты достигнуты на гетероструктурах CdHgTe/CdZnTe, выращенных методом жидкофазной эпитаксии, поэтому предполагается, что подложки CdZnTe будут востребованы в течение длительного времени, особенно для фотоприемников с высокими рабочими характеристиками Следует отметить, что CdTe и CdZriTe являются технологически сложными материалами Низкая теплопроводность твердой и жидкой фаз, достаточно высокая упругость паров компонентов при высокой температуре, склонность к двойникованию, неблагоприятные механические свойства (низкое значение микротвердости, хрупкость) делают выращивание совершенных кристаллов и изготовление подложек, пригодных для процессов эпитаксиального наращивания, достаточно трудной технологической задачей Кроме того, при выращивании однородных кристаллов с заданными свойствами необходимо учитывать сложную форму области гомогенности соединений CdTe и CdZnTe, а также то обстоятельство, что в определенных термодинамических условиях в твердой фазе может иметь место структурная самоорганизация системы, включая процессы преципитации
К моменту постановки данной работы в России отсутствовала комплексная технология изготовления подложек CdZnTe, предназначенных для проведения процессов эпитаксиального наращивания Необходимо было провести всесторонние исследования оптических и структурных свойств твердых растворов CdZnTe Исследования, направленные
на установление взаимосвязи электрофизических свойств эпитаксиального слоя CdHgTe и технологии изготовления подложек CdZnTe, до настоящего времени не проводились
Цель работы
Разработка научно-обоснованной технологии производства подложек Cdi.yZnyTe (0,02<у<0,06) с заданными оптическими и структурными свойствами, пригодных для использования в процессах эпитаксиального наращивания слоев CdxHgi хТе (0,19<х<0,23 и 0,27<х<0,32) с требуемыми и воспроизводимыми электрофизическими характеристиками методом жидкофазной эпитаксии для изготовления на их основе приемников ИК излучения с высокими эксплутационными характеристиками
В соответствии с поставленной целью в процессе работы необходимо было решить следующие задачи
провести комплексные исследования влияния подложки CdZnTe на электрофизические свойства гетероструктур CdHgTe/CdZnTe На основании полученных результатов определить ключевые моменты и оптимизировать технологию изготовления подложек CdZnTe с целью увеличения выхода гетероструктур CdHgTe/CdZnTe, пригодных для изготовления многоэлементных ИК- фотоприемных устройств
- провести исследования свойств кристаллов CdZnTe и разработать режимы их
посткристаллизационного охлаждения и отжига, обеспечивающие получение материала с
набором заданных структурных, электрофизических и оптических параметров
- разработать технологическую схему изготовления подложек, включающую
ориентированную резку монокристаллического блока кристалла CdZnTe на пластины в
заданной кристаллографической плоскости, придание им необходимых геометрических
размеров, механическую шлифовку и финишную химико-механическую полировку
Научная новизна
Проведенные исследования позволили получить следующие новые научные результаты
-
Впервые разработана комплексная технология изготовления пластин-подложек Cdi-yZnyTe (0,02<у<0,0б), удовлетворяющих требованиям современного производства гетероструктур CdHgTe/CdZnTe для дальнейшего их использования в производстве детекторов инфракрасного излучения
-
Впервые разработана технология обработки поверхности материала Cdi yZnyTe (0,02<у<0,06) методом химико-механической полировки с применением плана-полировальника типа «архимедова спираль» и полирующего травитеяя модифицированного
состава на основе брома-бромистоводородной кислоты и глицерина, что позволяет обеспечить требуемые планарность, высоту микрорельефа и гарантировать отсутствие неконтролируемых примесей на поверхности подложек Cdi.yZn/Te
3 Впервые в России с использованием разработанной технологии изготовлены
подложки Cdi.yZnyTe (0,02<у<0,06) с заданными оптическими и структурными свойствами,
на которых были выращены эпитаксиальные слои CdxHgi.xTe (0,19<х<0,23 и 0,27<х<0,32) р-
и n-типа проводимости с требуемыми и воспроизводимыми электрофизическими
параметрами методом жидкофазной эпитаксии
4 Разработан метод, основанный на регистрации спектров инфракрасного отражения
и комбинационного рассеяния света, позволяющий определить наличие преципитатов
теллура нанометрового размера в объеме твердых растворов Cdi.yZnyTe (0,02<у<0,06)
Впервые выявлена взаимосвязь между присутствием подобных нднопреципитатов в
кристаллах Cdi.yZ%Te (0,02<у<0,06), используемых для изготовления пластин-подложек, и
электрофизическими характеристиками эпитаксиальных слоев CdxHgi.xTe (0,19<х<0,23)
р-типа проводимости, выращенных на этих подложках методом жидкофазной эпитаксии
Практическая значимость Разработанная технология производства пластин-подложек кадмий-цинк-теллур является составной частью комплексных технологий изготовления эпитаксиальных структур ртуть-кадмий-теллур для многоэлементных фоторезисторов (ТД 48 0572 204 05), эпитаксиальных полупроводниковых структур тсллурида кадмия-ртути для производства крупноформатных матричных фотоприемников (ТД 48 0572 198 04 и ТД 48 0572 203 05) По разработанной технологии на базе ФГУП "ГИРЕДМЕТ" организовано опытно-промышленное производство подложек Cdi-yZnyTe (0,02<у<0,06) Методом жидкофазной эпитаксии на изготовленных подложках выращены гетероструктуры CdZnTe/CdHgTe, которые были переданы в ФГУП НПО «ОРИОН» и ОАО МЗ «САПФИР» для производства ИК- фотоприемных устройств
Положения, выносимые па защиту:
-
Технология изготовления подложек Cdi.yZnyTe (0,02<у<0,06), предназначенных для проведения процессов эпитаксиального наращивания слоев CdxHgi_xTe (0,19<х<0,23 и 0,27<х<0,32) р- и п-типа проводимости
-
Технологические температурно-временные режимы процесса выращивания в части тепловых условий на завершающей стадии кристаллизации расплава и
посткристаллизационного отжига в процессе выращивания кристаллов, использование которых позволяет получать кристаллы CdZnTe с заданными оптическими свойствами
-
Технология обработки поверхности подложек Cdi->ZnyTe (0,02<у<0,06), используемых для дальнейшего наращивания эпитаксиальных слоев CdHgTe, позволяющей обеспечить планарность не хуже чем 2-4 мкм/см, высоту микрорельефа на уровне 4-8 нм и гарантировать отсутствие неконтролируемых примесей на поверхности подложек Состав травителя, режимы химико-механической полировки
-
Способ определения преципитатов теллура нанометрового размера в нелегированной подложке CdZnTe при концентрации остаточных примесей на уровне 10'3 см"3, заключающийся в использовании взаимодополняющих методов комбинационного рассеяния света и инфракрасной спектроскопии Экспериментальное доказательство существования взаимосвязи концентрации носителей заряда в эпитаксиальном слое CdxHgi-xTe (0,19<х<0,23) р-типа проводимости гетероструктуры CdZnTe/CdHgTe с присутствием преципитатов теллура нанометрового размера в материале подложки CdZnTe
Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в постановке и обосновании задач исследования, в разработке режимов посткристаллизационного охлаждения и отжига кристаллов CdZnTe в процессе их выращивания, в подготовке и выборе образцов, в анализе и интерпретации полученных результатов, в проведении исследований структурного совершенства материалов металлографическим методом, а также в разработке режимов механической обработки и метода химико-механической полировки пластин-подложек для эпитаксиального наращивания слоев, в разработке комплексной технологической схемы изготовления подложек На разных этапах работы в исследованиях принимали участие научные сотрудники различных подразделений ФГУП "Гиредмет", физического факультета МГУ им М В Ломоносова, Центра коллективного пользования "МИСиС-Гиредмет", РНЦ «Курчатовский институт» Работы проводились с соавторами, которые не возражают против использования в диссертации полученных совместно результатов
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной научной конференции по микроэчектронике (г Тбилиси 1987), на VTO Всесоюзной конференции по полупроводникам с узкой запрещенной зоной и полуметаллам (г Львов 1991), на ГХ, X, XI Национальных конференциях по росту кристаллов (г Москва 2000, 2002, 2004), на XVI, XVIII международных конференциях по фотоэлектронике и приборам
ночного видения (г Москва 2000, 2004), на XIX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г Москва 2006), на Всероссийском совещании по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (г Новосибирск 2003), на VI Российской конференции по физике полупроводников (г Санкт-Петербург, 2003), SPIE's 47ш Annual Meeting (Seattle, Washington, USA, 2002), 13th Intern Workshop on room-temperature semiconductors X- and gamma- ray detectors (Portland, Oregon, USA, 2003)
Публикации
По теме диссертационной работы опубликована 31 печатная работа, из них 8 - в журналах, входящих в перечень, утвержденный ВАК РФ Список основных работ приведен в конце автореферата
Структура и объем работы
